บทที่ 5 กฏการเคลื่อนที่ข้อที่ 3 ของนิวตัน แรงกระทำและแรงตอบโต้

5.1 การปฏิสัมพันธ์ก่อให้เกิดแรง
     ความเข้าใจเรื่องแรงที่ง่ายที่สุด คือการจัดให้แรงหนึ่งคือการผลักหรือการดึง มองให้ใกล้ชิดเข้าไปพบว่าแรงหนึ่งๆ ไม่ได้เป็นสิ่งใดในตัวเอง แต่เนื่องจากการปฏิสัมพันธ์ของสิ่งหนึ่งกับอีกสิ่ง ตัวอย่างเช่น การเอาฆ้อนตอกตะปูเพื่อผลักตะปูเข้าไปในไม้กระดาน มีวัตถุหนึ่งปฏิสัมพันธ์กับอีกวัตถุหนึ่ง อันไหนที่ออกแรงกระทำและอันไหนได้รับแรงกระทำ  นิวตันได้คิดถึงคำถามเช่นนี้ และยิ่งเขาคิดก็ยิ่งทำให้เขาได้ข้อสรุปว่าไม่มีวัตถุใดที่จัดให้เป็นผู้กระทำหรือผู้รับเป็นการเฉพาะ เข้าให้เหตุผลว่าธรรมชาตินั้นสมมาตร และสรุปว่าวัตถุทั้งสองจะต้องวางตัวเท่าเทียมกัน ฆ้อนออกแรงต่อตะปู แต่ฆ้อนเองก็หยุดลงในกระบวนการ ด้วยการปฏิสัมพันธ์เดียวกันที่ขับดันให้ตะปูทำให้ฆ้อนเคลื่อนช้าลง  การสังเกตเช่นนี้นำ
นิวตันตั้งกฏข้อที่ 3 ขึ้น คือกฏของการกระทำและกระทำตอบโต้ (action and reaction)

5.2 กฏข้อที่ 3 ของนิวตัน
      กฏข้อที่ 3 ของนิวตันกล่าวว่า
      เมื่อไรก็ตามที่วัตถุหนึ่งออกแรงกระทำต่อวัตถุที่สอง วัตถุที่สองออกแรงกระทำตอบโต้ด้วยแรงขนาด        เดียวกับแต่ทิศทางตรงข้ามกันกับที่วัตถุแรกกระทำ

แรงหนึ่งเรียกว่าแรงกระทำหรือแรงกริยา (action force) อีกแรกเรียกว่าแระกระทำตอบโต้หรือแรงปฏิกิริยา(reaction force)  ไม่ต้องสนใจว่าแรงใดจะเรียกว่าแรงกริยาหรือแรงปฏิกริยา ทั้งสองมีความเท่าเทียมกัน สิ่งที่สำคัญก็คือไม่มีแรงคงอยู่ได้ถ้าไม่มีอีกวัตถุ  แรงกริยาและปฏิกริยาประกอบกันเป็นคู่ของแรง กฏข้อที่สามของนิวตันมักจะกล่าวว่า สำหรับทุกแรงกริยาจะต้องมีแรงปฏิกริยาขนาดเท่ากันทิศทางตรงกันข้ามเกิดขึ้นเสมอ 
     ในทุกการปฏิสัมพันธ์ แรงเกิดขึ้นเป็นคู่เสมอ  ตัวอย่างเช่น การเดินข้ามพื้นห้อง เท้าเราออกแรงกดที่พื้น ในทางกลับกันพื้นก็ออกแรงดันขึ้นมา  เช่นเดียวกับที่ยางรถยนต์ออกแรงกดทับไปบนถนน ในทางกลับกันถนนก็ผลักดันล้อยางกลับ  ในการว่ายน้ำเราใช้มือผลักดันน้ำไปด้านหลัง ขณะเดียวกันน้ำก็ผลักดันเราไปด้านหน้า จะเห็นว่าที่แต่ละขณะมีคู่ของแรงกระทำกันและกัน  แรงในตัวอย่างดังกล่าวขึ้นอยู่กับความเสียดทาน เมื่อเปรียบเทียบคน รถยนต์ อยู่บนน้ำแข็งอาจไม่สามารถที่จะออกแรงกริยากระทำต่อน้ำแข็งเพื่อจำเป็นให้เกิดแรงปฏิกริยา

คำถาม
1. วัตถุระเบิดเช่นแท่งไดนาไมท์บรรจุแรงไว้หรือไม่?
2. รถยนต์คันหนึ่งเร่งความเร็วขึ้นไปตามถนน พูดอย่างตรงไปตรงมาได้หรือไม่ว่า แรงใดที่ทำให้รถเคลื่อนที่?

5.3 การแยกให้เห็นแรงกริยาและแรงปฏิกริยา
     การแยกคู่ของแรงกริยาและแรงปฏิกริยาไม่ได้ชัดเจนได้ในทันที  ตัวอย่างเช่น อะไรคือแรงกริยาและแรงปฏิกริยาในกรณีการตกลงมาของก้อนหิน กล่าวคือเมื่อไม่มีแรงต้านทานอากาศ คุณอาจกล่าวว่าแรงความโน้มถ่วงของโลกกระทำต่อก้อนหินเป็นแรงกริยา แต่คุณสามารถหาแรงปฏิกริยาได้หรือไม่ คือน้ำหนักของก้อนหินหรือไม่ เปล่าเลย น้ำหนักก็เป็นเพียงอีกชื่อหนึ่งของแรงโน้มถ่วง เป็นเหตุจากพื้นดินที่ลูกหินไปตกกระทบหรือไม่ เปล่าเลยพื้นดินไม่ได้กระทำต่อก้อนหินจนกระทั่งก้อนหินกระทบพื้นดิน
     โดยพบวิธีที่ง่ายที่จัดแรงกริยาและแรงปฏิกริยา  โดยกล่าวถึงแรงหนึ่งจากคู่ของแรง กล่าวถึงแรงกริยาในรูป วัตถุ A ออกแรงกระทำต่อวัตถฺุB  แล้วกล่าวถึงเกี่ยวกับแรงปฏิกริยากล่าวง่ายๆ ทำนองเดียวกันว่า  วัตถุ B ออกแรงกระทำต่อวัตถุA
     การกล่าวเช่นนี้จำได้ง่าย ที่จำเป็นเพียงแต่เปลี่ยนจาก A และ B ไปมา ดังนั้นในกรณีการตกของก้อนหิน(วัตถุB) เป็นแรงปฏิกิริยากออกแรงกระทำต่อโลก

รูปที่ 5.4 คู่ของแรงระหว่างวัตถุ A และวัตถุ B  สังเกตได้วาแรงกริยา A ออกแรงกระทำต่อวัตถุ B แรงปฏิกริยาคือแรงที่วัตถุ B กระทำต่อวัตถุ A

5.4 แรงกริยาและแรงปฏิกริยาบนวัตถุที่มีมวลแตกต่างกัน

     เป็นเรื่องน่าสนใจที่ว่าก้อนหินออกแรงดึงโลกทั้งหมดเท่ากับที่โลกดึงดูดก้อนหินนั้น ขนาดของแรงเท่ากันในทิศทางตรงข้ามกัน เรากล่าวว่าก้อนหินตกลงสู่โลก เรากล่าวเช่นเดียวกันได้หรือไม่ว่าโลกตกลงสู่ก้อนหิน  คำตอบคือ ใช่กล่าวได้เช่นนั้น แต่ไม่ได้เต็มปากเต็มคำ  แม้ว่าแรงที่ลูกหินกระทำต่อโลก และที่โลกกระทำต่อลูกหินจะเท่ากัน  แต่มวลค่อนข้างจะแตกต่างกัน  ย้อนกลับไปที่กฏข้อที่ 2 ของนิวตันที่กล่าวไว้ว่า แต่ละความเร่งที่มี ไม่เพียงแต่เป็นสัดส่วนกับแรงลัพธ์เท่านั้นแต่ยังเป็นปฏิภาคกลับกับมวลของวัตถุนั้นด้วย  พิจารณามวลขนาดมหึมาของโลก  ไม่ประหลาดใจเลยว่าเราไม่สามารถรู้ได้ถึงความเร่งที่น้อยมากๆ กล่าวตรงๆแม้ว่าโลกจะเคลื่อนขึ้นไปยังก้อนหินที่กำลังตก  ดังนั้นขณะที่เราก้าวขึ้นลงขอบขอบถนน ถนนก็เคลื่อนมายังเราน้อยมากไม่อาจรู้ได้

     ทำนองเดียวกันที่ไม่เกินความจริงมากนัก ตัวอย่างเกิดขึ้นในการยิงปืนไรเฟิน  เมื่อปืนถูกยิงแรงที่ปืนกระทำต่อกระสุนปืนเท่ากับแรงที่กระสุนปืนกระทำต่อต่อปืน เป็นผลให้เกิดอากาศที่เรียกว่าปืนถีบ  เราอาจคาดหวังว่าปืนจะถีบมากกว่าที่ควรจะเป็น หรือประหลาดใจว่าทำไมกระสุนปืนเคลื่อนที่เร็วมากเปรียบเทียบกับตัวปืน  ตามกฏข้อที่ 2 ของนิวตัน เราต้องพิจารณามวลที่เกี่ยวข้อง

รูปที่ 5.6 แรงที่ทำให้ปื้นเคลื่อนไปด้านหลัง เท่ากับแรงที่ขับดันให้กระสุนเคลื่อนไปตามลำกล้องปืน แล้วทำไมกระสุนถึงได้เคลื่อนต่อไปด้วยความเร่งมากกว่าตัวปืนมากนัก

     สมมุติว่าให้ F แทนทั้งแรงกริยา และเแรงปฏิกริยา  m เป็นมวลของกระสุนปืน  และ M เป็นมวลของปืนไรเฟิน  แล้วความเร่งของกระสุน และความเร่งของตัวปืนไรเฟิน สามารถคำนวณหาได้จากสัดส่วนของแรงต่อมวล

ความเร่งของกระสุนหาได้คือ    A  =  F/m

ความเร่งของตัวปืนไรเฟิน คือ    a  = F/M

    เห็นหรือไม่ว่าทำไมการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ของกระสุนจึงมีสูงมาก เมื่อเทียบกับการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ของตัวปืนไรเฟิน  แรงที่กำหนดที่กระทำต่อมวลขนาดเล็กก่อให้เกิดความเร่งมาก ขณะที่แรงเดียวกันกระทำต่อมวลขนาดใหญ่ก่อให้เกิดความเร่งไม่มาก

     เราเคยสังเกตการทำงานตามกฏข้อที่ 3 ของนิวตัน เมื่อสุนัขหนึ่ง แกว่งหางตัวเอง ถ้าหางของสุนัขค่อนข้างมวลมากเหมือนกันเมื่อเทียบกับมวลของสุนัข จะสังเกตพบว่าหางก็ทำให้ตัวสุนัขแกว่งเหมือนกัน ผลที่เกิดขึ้นนี้สามารถสังเกตได้น้อยไม่ชัดเจน  สำหรับสุนัขที่หางมีมวลค่อนข้างน้อย

คำถาม

สมมุติว่าคุณกำลังนังที่นั่งแถวหน้ารถบัสที่กำลังเพิ่มอัตราเร็ว คุณได้สังเกตเห็น แมลงตัวหนึ่งบินชนกระจกหน้ารถ แน่นอนว่ามีแรงกระจกกระทำต่อตัวแมลง และตัวแมลงความเร่งลดลงในทันที และแรงทีเท่ากันที่แมลงกระทำต่อกระจกในทิศทางตรงข้าม มากกว่า น้อยกว่า หรือ เท่ากัน แล้วผลการลดความเร่งของรถบัน มากกว่า น้อยกว่า หรือ เหมือนกับของแมลง

5.5 ทำไมแรงกริยาและแรงปฏิกริยาไม่หักล้างกัน

      แรงกริยาและแรงปฏิกริยากระทำบนวัตถุที่แตกต่างกัน  ถ้าแรงกริยาเป็นเหตุจาก A กระทำต่อ B, แล้วแรงปฏิกริยามีเหตุจาก B กระทำต่อ A    แรงกริยาที่กระทำต่อ B  แรงปฏิกริยากระทำต่อ A   แรงกริยา และปฏิกริยาไม่ได้กระทำบนวัตถุเดียวกัน  ดังนั้นแรงกริยาและแรงปฏิกริยาจึงไม่เคยที่จะหักล้างกันและกัน  

     ในเรื่องนี้ทำให้เข้าใจผิดกันบ่อยๆ  ตัวอย่างเช่น สมมุติว่ามีเพื่อนที่ได้ยินเกี่ยวกับกฏข้อที่ 3 ของนิวตัน แล้วพูดว่าคุณไม่สามารถเคลื่อนลูกฟุตบอลได้โดยการเต๊ะ  เหตุผลเพราะว่าแรงปฏิกิริยาโดยลูกบอลที่ถูกเต๊ะเท่ากับและทิศตรงข้ามกับแรงที่คุณเต๊ะลูกฟุตบอล แรงลัพธ์จึงเป็นศูนย์ ดังนั้นถ้าลูกบอลยังคงนิ่งอยู่ตอนเริ่มต้น ก็จะยังคงนิ่งต่อไป ไม่ว่าคุณจะเต๊ะบอลแรงมากเท่าใดก็ตาม แล้วคุณจะบอกเพื่อนคุณอย่างไร

     ในเรื่องนี้คุณรู้ว่าถ้าคุณเต๊ะบอล ลูกบอลนั้นก็เคลื่อนด้วยความเร่ง ความเร่งนี้ขัดกับกฏข้อที่ 3 ของนิวตันหรือไม่  คำตอบคือไม่แน่นอน การเต๊ะออกแรงกระทำต่อลูกบอล ไม่มีแรงอื่นที่มากระทำต่อลูกบอล แรงลัพธ์ที่กระทำต่อลูกบอลเป็นจริงและลูกบอลก็มีความเร่ง แล้วแรงปฏิกริยาละ โอเคมันไม่ได้กระทำต่อลูกบอลแต่กระทำต่อเท้าของคุณ แรงปฏิกริยาหน่วงเท้าของคุณขณะที่เท้าไปสัมผัสกับลูกบอล จงบอเพื่อนคุณว่าแรงที่กระทำกับลูกบอลกับแรงที่กระทำบนเท้าไม่สามารถหักล้างกันได้

5.6 ปัญหาม้าลากเกวียน
สถานะการณ์คล้ายกับการเต๊ะฟุตบอล ม้าที่ลากเกวียนก็อาจคิดว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะลากเกวียนเพราะแรงที่ม้าลากเกวียนจะหักล้างกับแรงขนาดเท่ากันทิศตรงข้ามกันที่เกวียนดึงม้าไว้ การเกิดความเร่งจึงเป็นไปไม่ได้ การคิดอย่างระมัดระวังก็จะเข้าใจปัญหาคลาสสิกนี้
     ปัญหา ม้า เกวียนนี้ สามารถมองในมุมมองที่ต่างกัน  แรกสุดในมุมมองของเกษตรกรผู้ขับเกวียนเป็นกังวนอยู่เฉพาะตัวเกวียน(ระบบเกวียน) แล้วยังมีมุมมองของม้า (ระบบม้า) สุดท้ายยังมีมุมมองทั้งหมดของม้าและเกวียน(ระบบ ม้าและเกวียน)
     อันแรกไปที่มุมมองของเกษตรกร เขาใส่ใจกับแรงที่กระทำต่อเกวียนที่  โดยแรงลัพธ์กระทำต่อเกวียนเมื่อหารด้วยมวลของเกวียน ก็จะได้ความเร่งจริง แต่เขาไม่ได้สนใจว่ามีปฏิกริยาใดต่อม้า
     เมื่อพิจารณาที่มุมมองของม้า เป็นจริงที่ว่าแรงทิศทางตรงข้ามโดยเกวียนกระทำต่อม้า ที่จะไปยับยั้งขัดขวาง  หากไม่มีแรงนี้ม้าคงควบไปสู่เป้าหมายได้ แรงนี้มีแนวโน้มที่จะดึงม้าถอยกลับไป และตัวม้าเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้อย่างไร? โดยการผลักที่พื้นไปด้านหลัง ขณะเดียวกันพื้นก็ผลักม้าไปข้างหน้า เพื่อที่จะดึงเกวียนไปม้าต้องออกแรงผลักพื้นไปด้านหลัง ถ้าม้าออกแรงผลักไปด้านหลังมากกว่าที่ดึงเกวียน  ก็จะมีแรงลัพธ์กระทำต่อม้า เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง  เมื่อเกวียนเคลื่อนมีอัตราเร็ว ม้าจำเป็นต้องออกแรงเฉพาะดันไปด้านหลังที่พื้นด้วยแรงที่เพียงพอที่เริ่มต้นเท่ากับแรงเสียดทานระหว่างล้อเกวียนและพื้น
    สุดท้ายมองไปที่ระบบ ม้า-เกวียน รวมทั้งหมด จากมุมมองนี้การลากเกวียนของม้า และปฏิกริยาที่เกวียนกระทำต่อม้าเป็นแรงภายในระบบ คือแรงที่กระทำและกระทำตอบโต้ภายในระบบ ไม่มีส่วนใดๆ ต่อการทำให้เกิดความเร่งของระบบ ม้า-เกวียน จากมุมมองนี้จึงไม่นำมาคิด  ระบบสามารถจะเคลื่อนที่มีความเร่งได้เฉพาะแรงจากภายนอก ตัวอย่างเช่นถ้ารถยนต์ของคุณเสียเมื่อต้องการนำออกจากโรงรถ คุณไม่สามารถทำให้มันเคลื่อนที่ได้โดยนั่งอยู่ภายในรถและผลักที่แผงควบคุม คุณต้องออกมาภายนอกรถและทำให้พื้นผลักรถ คล้ายคลึงกับระบบ ม้า-เกวียน แรงปฏิกิริยาโดยพื้นที่ผลักระบบให้เคลื่อนไป

รูปที่ 5.10 ทุกคู่ของแรงที่กระทำต่อม้า เกวียนดังที่แสดง 1)แรงดึง P ต่อม้าและต่อเกวียนกันและกัน 2)แรงผลัก F ต่อม้าและพื้นกันและกัน และ 3) แรงเสียดทาน f ระหว่างล้อเกวียนและพื้น สังเกตุเห็นว่ามีแรงสองแรงที่แต่ละแรงให้กับเกวียนและม้า สามารถเห็นได้ว่าความเร่งของระบบ ม้า-เกวียนเนื่องจากแรงลัพธ์ F-f

คำถาม
1.จากรูป 5-10 อะไรคือแรงลัพธ์ที่กระทำต่อเกวียน และที่กระทำต่อม้า และแนวโน้มที่พื้นกระทำกลับ
2. ทันทีที่ม้าลากเกวียนไปได้ที่อัตราเร็วที่ประสงค์แล้ว ม้าจำเป็นต้องออกแรงกระทำต่อเกวียนต่อไปหรือไม่

สรุปบทที่ 4 คำถามทบทวน

ย่อสรุปมโนทัศน์

วัตถุที่มีความเร่ง  ... เปลี่ยนอัตราเร็ว และหรือเปลี่ยนทิศทาง
- ความเร่งของวัตถุหนึ่งเป็นปฏิภาคตรงกับแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุนั้น
- ความเร่งของวัตถุหนึ่งๆเป็นปฏิภาคกลับกับมวลของวัตถุนั้น
- ความเร่งเท่ากับแรงลัพธ์หารด้วยมวลและอยู่ในทิศทางเดียวกับแรงลัพธ์

วัตถุหนึ่งๆ ยังคงอยู่ในสภาพนิ่ง หรือเคลื่อนที่ต่อไปด้วยความเร็วคงที่เมื่อแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุนั้นเป็นศูนย์
-เมื่อวัตถุหนึ่งอยู่ในสภาวะนิ่ง น้ำหนักของวัตถุจะสมดุลโดยหักล้างกับแรงรับวัตถุขนาดเท่ากัน
-เมื่อวัตถุกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ขณะที่ให้แรงจากภายนอกกระทำต่อวัตถุ แรงนั้นต้องสมดุลกับแรงต้านทานขนาดที่เท่ากัน (หรือความเสียดทาน)

การประยุกต์ใช้แรงหนึ่งไปบนพื้นผิวต่างๆ ก่อให้เกิดควาาดัน
-ความดันเท่ากับแรงหารด้วยพื้นที่ที่ประยุกต์ให้แรง เมื่อแรงที่ให้ตั้งฉากกับพื้นที่ผิว

วัตถุที่กำลังตกลงมาถูกกระทำโดยแรงโน้มถ่วง ซึ่งดึงวัตถุลงมาด้วยแรงน้ำหนักของวัตถุนั้น
- การตกอย่างอิสระที่ไม่คิดแรงเสียดทานอากาศ ความเร่งการตกลงมาของวัตถุทั้งหลายจะเท่ากันโดยไม่ขึ้นอยู่กับมวล
- เมื่อมีแรงเสียดทานอากาศ การตกลงมาของวัตถุ จะเกิดความเร่งจนกระทั้งวัตถุเคลื่อนที่เข้าสู่อัตราเร็วปลายสุดท้าย
-ที่อัตราเร็วปลาย แรงต้านทานจากอากาศหักลัางสมดุลกับแรงความโน้มถ่วง

คำถามทบทวน
1.จงแบ่งแยกระหว่างความสัมพันธ์ที่กำหนดความเร่ง และความสัมพันธ์ที่กล่าวถึงว่าความเร่งเกิดขึ้นอย่างไร
2. หมายถึงอะไรที่บอกว่าแรงลัพธ์กระทำต่อวัตถุ
3. แรง 10 N และ 20 N มีทิศทางเดียวกันกระทำต่อวัตถุ มีแรงลัพธ์กระทำต่อวัตถุเท่าใด
4. ถ้าแรงมีที่กระทำต่อวัตถุหนึ่งเท่ากับ 50 N ในทิศทางหนึ่ง  และ 30 นิวตันในทิศทางตรงกันข้ามกัน และ แรงลัพธ์เท่าใดที่กระทำต่อวัตถุ
5. สมมุติว่าเกวียนคันหนึ่งกำลังเคลื่อนที่ด้วยแรงลัพธ์ ถ้าแรงลัพธ์เพิ่มเป็นสองเท่า ตอนนี้มีการเปลี่ยนความเร่งเท่าใด
6. สมมุติว่าเกวียนกำลังเคลื่อนที่ด้วยแรงลัพธ์ ถ้าเกวียนบรรทุกของแล้วทำให้มวลเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ตอนนี้ความเร่งเปลี่่ยนไปเท่าใด
7. ให้แยกแยะระหว่างมโนทัศน์ของการปฏิภาคตรง กับการปฏิภาคกลับ สนับสนุนคำตอบด้วยตัวอย่าง
8. กฏข้อที่สองของนิวตันกล่าวอย่างไร ในเชิงบรรยายด้วยคำพูด และในรูปของสมการ
9.ต้องใช้แรงเท่าใดที่จรวจมวล 20000kg เกิดความเร่ง 1 m/s^2
10.มีแรงที่โต๊ะรับไว้เท่าใดหรือกระทำต่อหนังสือน้ำหนัก 15 N  เมื่อวางหนังสือบนโต๊ะ และมีแรงลัพธ์กระทำต่อหนังสือเท่าใดในกรณีนี้
11. เมื่อถุงตะปูหนัก 100 นิวตันแขวนไว้ด้วยเชื่อกโดยไม่เคลื่อนที่  มีแรงตึงในเส้นเชือกที่กระทำเท่าใด จะเป็นอย่างไรถ้ายึดถุงตะปูด้วยเชือก 4 เส้น
12. อะไรเป็นสาเหตุของความเสียดทาน และในทิศทางใดที่ความเสียดทานกระทำต่อวัตถุที่เคลื่อนที่เลื่อนไถล
13. ถ้าแรงเสียดทานกระทำต่อเปลลากเลื่อน 100 N จะต้องใช้แรงเท่าใดให้เปลลากเลื่อนยังคงมีความเร็วคงที่ต่อไป  จะต้องมีแรงลัพธ์กระทำต่อเปลลากเลื่อนเท่าใด และจะมีความเร่งเท่าใด
14. ให้บอกข้อแตกต่างระหว่างแรงและความดัน
15.อันไหนก่อให้เกิดความดันต่อพื้นมากกว่ากัน ยากรถยนต์หน้าแคบ กับ ยางหน้ากว้างที่น้ำหนักเดียวกัน
16.แรงความโน้มถ่วงเป็นสองเท่ากระทำต่อก้อนหิน 2kg เทียบกับก้อนหิน 1 kg ทำไมก้อนหิน 2 kg ไม่เคลื่อนตกลงมาด้วยความเร่งเป็นสองเท่า
17.ขนนกและเหรียญปล่อยให้ตกลงมาด้วยอัตราเร่งเดียวกันได้อย่างไรในหลอดศูนยากาศ
18.ทำไมขนนกและเหรียญที่ปล่อยให้ตกลงมาภายใต้ความดันอากาศมีอัตราเร่งแตกต่างกัน
19.มีแรงต้านอากาศเท่าใดกระทำต่อถุงตะปู 100 N ที่ตกลงมาด้วยอัตราเร็วปลายสุดท้าย
20.ความต้านทานอากาศและน้ำหนักของวัตถุที่กำลังตกเปรียบเทียบกันเป็นอย่างไรเมื่อเคลื่อนที่ถึงอัตราเร็วปลาย

บทที่ 4 กฏข้อที่ 2 ของนิวตัน ... แรงและความเร่ง

วัตถุทั้งมีการเริ่มต้นเคลื่อนที่ เคลื่อนที่ช้าลง เคลื่อนที่เป็นทางโค้ง บทที่แล้วกล่าวถึงวัตถุที่จุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ โดยไม่มีแรงลัพธ์ใดมากระทำ บทนี้จะครอบคลุมมากขึ้นที่มีตัวการทำให้เปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ คือการเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง

          จากบทที่ 2 อธิบายความเร่งเป็นการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่เร็วเท่าใด โดยเฉพาะการเปลี่ยนความเร็วต่อหน่วยหรือช่วงเวลา เขียนได้คือ

                      ความเร่ง = การเปลี่ยนความเร็ว/ ช่วงเวลา        

นี่คือนิยามความหมายของความเร่ง ในบทนี้จะเน้นถึงสาเหตุของความเร่ง ได้แก่แรง

อักษรกรีก ∆(delta) มักใช้เป็นสัญลักษณ์สำหรับ  .การเปลี่ยนแปลง  หรือ ส่วนแตกต่างกันใน

ในเครื่องหมาย เดลต้า  a =∆v/∆t เมื่อ ∆ v คือการเปลี่ยนความเร็ว และ ∆t คือการเปลี่ยนแปลงเวลา

4.1 แรงสาเหตุของความเร่ง

พิจารณาวัตถุที่หยุดนิ่ง เช่นลูกบอล เมื่อให้แรงกระทำต่อลูกบอล ลูกบอลจะเคลื่อนที่ เนื่องจากลูกบอลไม่ได้เคลื่อนที่มาก่อน กล่าวได้ว่าลูกบอลเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง หรือเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ แรงจึงเป็นตัวการก่อให้เกิดความเร่ง

     บ่อยครั้งที่แรงที่กระทำไม่ใช่เป็นแรงเดียวที่กระทำต่อวัตถุ มีแรงอื่นๆ มากระทำอยู่ด้วย การรวมแรงทุกอย่างที่กระทำต่อวัตถุนั้นเรียกว่าแรงลัพธ์ (net force)  ซึ่งเป็นแรงที่ทำให้วัตถุมีความเร่ง จากรูป 4.3 ถ้าเราผลักวัตถุด้วยแรง 10 นิวตันตามแนวระดับ โดยวัตถุวางอยู่บนผิวที่อิสระต่อความเสียดทาน เช่นลู่อากาศ และถ้ามีเพื่อนอีกคนช่วยผลักด้วยแรง 5 นิวตันในเวลาเดียวกันในทิศทางเดียวกันบนวัตถุเดียวกัน แรงลัพธ์รวมที่กระทำต่อวัตถุเกิดจากผลรวมของแรงเป็น 15 นิวตัน วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งราวกับว่าถูกผลักด้วยแรงเดี่ยว 15 นิวตัน ถ้าเพื่อนของคุณออกแรงผลักในทิศทางตรงกันข้ามกันในแรงลัพธ์จะเป็นผลต่างของแรงคือ 5 นิวตัน ความเร่งของวัตถุจะเป็นเหมือนกับวัตถุถูกผลักด้วยแรง 5 นิวตัน

      เราพบว่าขนาดความเร่งขึ้นอยู่กับจำนวนแรงลัพธ์ เพื่อจะเพิ่มความเร่งให้กับวัตถุหนึ่ง เราต้องเพิ่มแรงลัพธ์ให้มากขึ้น ที่เหตุผลทำให้เข้าใจได้  ถ้าเพิ่มแรงเป็นสองเท่าต่อวัตถุแล้ว เราก็จะได้ความเร่งเป็นสองเท่า เรากล่าวได้ว่าความเร่งเกิดขึ้นเป็นปฏิภาคตรงกับแรงลัพธ์ เขียนได้ว่า

           ความเร่ง   α  แรงลัพธ์

          สัญลักษณ์  α  แทนการเป็นปฏิภาคตรงต่อ

4.2 มวลต้านทานต่อความเร่ง

เมื่อผลักรถใส่ของห้างสรรพสินค้า จะพบว่าผลักรถที่ใส่ของมากหนักมากจะผลักให้เร่งได้น้อยกว่ารถที่ใส่ของน้อยหนักน้อยกว่า ทั้งนี้เพราะความเร่งขึ้นอยู่กับมวลที่ถูกพลักออกไป สำหรับวัตถุที่มีมวลมากกว่าเราจะพบว่ามีความเร่งน้อยกว่า ถ้ามวลมากขึ้นเป็นสองเท่าเมื่อให้แรงผลักเท่าเดิมให้ผลเป็นความเร่งได้เพียงครึ่งหนึ่ง ให้มวลเป็นสามเท่าให้ผลเป็นความเร่งได้ 1 ใน 3 ของความเร่งเดิม และต่อไป กล่าวอีกอย่างได้ว่าสำหรับแรงที่กำหนดให้ความเร่งที่เกิดขึ้นเป็นปฏิภาคกลับกับมวล เขียนได้เป็นดังนี้

         ความเร่ง   α  1/มวล  

 คำว่าปฏิภาคกลับ หมายความว่าจากการมี 2 ค่าเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางตรงข้ามกัน เราเห็นว่าตัวหารเพิ่มขึ้นปริมาณทั้งหมดลดลง ตัวอย่างเช่นปริมาณ 1/100 น้อยกว่าปริมาณ 1/10

4.3 กฏข้อที่ 2 ของนิวตัน

นิวตันเป็นคนแรกที่ตระหนักว่าความเร่งที่เราทำให้เกิดขึ้นเมื่อเราเคลื่อนที่บางอย่างขึ้นอยู่กับแรงผลักมากเท่าใดและมวลที่ผลักเท่าใดด้วย  เขาได้ข้อสรุปเป็นกฏที่สำคัญมากที่สุดของธรรมชาติเท่าที่เคยมีมาคือกฏข้อที่สองของเขา โดยกฏข้อที่สองกล่าวว่า

         ความเร่งที่เกิดขึ้นจากที่มีแรงลัพธ์กระทำกับวัตถุหนึ่งเป็นปฏิภาคตรงกับขนาดของแรงลัพธ์ใน

         ทิศทางเดียวกับแรงลัพธ์ และเป็นปฏิภาคกลับกับมวลของวัตถุนั้น

      หรือเขียนอยู่ในรูป      ความเร่ง    α   แรงลัพธ์/มวล

โดยใช้หน่วยมาตรฐานของแรงเป็นนิวตัน(N); มวลเป็นกิโลกรัม (Kg) และหน่วยของความเร่งเป็น เมตรต่อวินาทีกำลังสอง (m/s²) จะได้เป็นสมการโดยตรงคือ

                                                      ความเร่ง  =  แรงลัพธ์ / มวล

 ในรูปที่ลัดสั้น เมื่อ a แทนความเร่ง , F แทนแรงลัพธ์ และ m แทนมวลของวัตถุจะได้ว่า

                                                       a = F/m  หรือเขียนอีกรูปแบบได้เป็น

                                                       F = m a 

ความเร่งเท่ากับแรงลัพธ์หารด้วยมวล จากความสัมพันธ์เราสามารถเห็นได้ว่า ถ้าแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุเพิ่มเป็นสองเท่า ความเร่งก็จะเพิ่มเป็นสองเท่าด้วย  สมมุติว่าถ้ามวลเพิ่มเป็นสองเท่าแล้ว ค่าความเร่งจะลดลงเป็นครึ่งหนึ่ง  ถ้าทั้งแรงลัพธ์และมวลเพิ่มเป็นสองเท่า แล้วความเร่งก็จะไม่เปลี่ยนแปลง

การคำนวณแก้ปัญหา

ถ้ามวลของวัตถุหนึ่งวัดเป็นกิโลกรัม(kg) และความเร่งวัดเป็นเมตรต่อวินาทีกำลังสอง(m/s²) แล้วแรงกำหนดในหน่วยนิวตัน (N)  แรง 1 นิวตันคือแรงที่ทำให้มวล 1 กิโลกรัมมีความเร่ง 1 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง เราสามารถจัดกฏที่สองของนิวตันอ่านดังนี่

                         แรง = มวล X  ความเร่ง

                         1N  =  (1 kg) X (1 m/s²)

จะเห็นว่า           1N = 1kg.m/s²

จุดระหว่าง kg กับ m/s² หมายถึงคูณหน่วยทั้งสองเข้าด้วยกัน
       ถ้าเราทราบรู้ค่าปริมาณ 2 อย่าง (หรือ 2 ตัวแปร) ตามสูตรในกฏข้อที่สองของนิวตันแล้ว แล้วสามารถคำนวณหาค่าตัวแปรที่ 3 ที่ไม่ทราบได้  ตัวอย่างเช่นต้องมีแรงเท่าใดที่จะทำให้เครื่องบินเจ็ตมวล 30,000 kgเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง 1.5 m/s²

                              จาก    F = ma
                                           =(30,000 kg) x (1.5 m/s² )
                                           =45,000 kg. m/s²
                                           = 45,000 N

สมมุติว่าคุณรู้แรงและมวล และต้องการจะคำนวณหาความเร่ง ตัวอย่างเช่น จะเกิดความเร่งเท่าใดเมื่อมีแรงไปกระทำ2000 Nต่อรถยนต์มวล 1000 kg โดยใช้กฏข้อที่สองของนิวตันจะหาความเร่งได้คือ

เมื่อเพิ่มแรงเป็นสองเท่ากับมวลเดิมเดียวกัน เท่ากับการเพิ่มความเร่งเป็นสองเท่า

คำถาม
1. ถ้ารถยนต์คันหนึ่งสามารถเคลื่อนที่ที่ความเร่ง 2 m/s² จะมีความเร่งเท่าใดถ้ารถยนต์คันนี้ลากรถอีกคันที่มวลเท่ากัน
2. การเคลื่อนที่จะเป็นแบบใด ถ้าแรงที่ให้กับวัตถุคงที่ไม่เปลี่ยนแปลง โดยที่วัตถุก็มีมวลตายตัวคงที่

4.4 ภาวะนิ่ง สแตติกซ์ (สถิตย์ศาสตร์)
        มีแรงกี่แรงที่กระทำต่อหนังสือที่วางนิ่งอยู่บนโต๊ะ ห้ามบอกว่าแรงเนื่องจากน้ำหนักแรงเดียว ถ้ามีเพียงแรงเดียวกระทำน่าจะต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ความจริงก็คือเมื่อหนังสือวางนิ่ง และไม่มีความเร่งใดๆเกิดขึ้น  เป็นหลักฐานว่ามีอีกแรงหนึ่งที่มากระทำ อีกแรงที่ว่านี้จะต้องมาหักล้างกับแรงน้ำหนักทำให้แรงลัพธ์เป็นศูนย์  อีกแรงหนึ่งนั่นก็คือแรงที่โต๊ะรับไว้ (มักจะเรียกว่าแรงตั้งฉาก: normal force) กล่าวอีกอย่างได้ว่าโต๊ะออกแรงผลักหนังสือขึ้น  ลองจินตนาการว่ามีมดอยู่ระหว่างหนังสือกับโต๊ะ หรือหนังสือทับมดบนโต๊ะ มดอาจรู้สึกว่าตัวเองถูกบีบอัดทั้งสองด้านทั้งด้านบนและด้านล่าง โดยโต๊ะออกแรงผลักหนังสือขึ้นด้านบนด้วยแรงขนาดเดียวกับที่หนังสือออกแรงกดลงบนโต๊ะ  ถ้าหนังสือหยุดนิ่งผลรวมของแรงที่กระทำต่อหนังสือสมดุลหรือเป็นศูนย์

รูปที่ 4.6  แรงลัพธ์ที่กระทำต่อหนังสือเป็นศูนย์ เพราะว่ามีแรงที่โต๊ะผลักขึ้นด้วยแรงที่เท่ากับแรงน้ำหนัก                ของหนังสือทิศลง

     
        การแขวนตัวเองกับเชือกห้อยลงมา น้ำหนักตัวเราจะทำให้เชือกตึงมากขึ้นทำให้เชือกมีแรงตึงในเส้นเชือก แรงตึงจะมีเท่าใด ถ้าตัวเราที่แขวนเชือกดังกล่าวไม่ได้มีความเร่ง ความตึงในเส้นเชือกจะต้องเท่ากับน้ำหนักที่แขวน  โดยเชือกจะดึงตัวเราไว้ขณะเดียวกันความโน้มถ่วงของโลกก็ดึงตัวเราไว้ ด้วยแรงที่เท่ากันหักล้างกันพอดี เพราะว่าเป็นแรงที่เท่ากันอยู่ในทิศทางตรงข้ามกัน จึงแขวนตัวอยู่ได้นิ่งไม่เคลื่อนที่
      สมมุติห้อยโหนโดยจับบาร์ที่มีเชือกผูกสองเส้นดัง รูป 4.7  แล้วความตึงในแต่ละเส้นเชือกเป็นครึ่งหนึ่งของน้่ำตัวที่โหน(ถ้าไม่คิดน้ำหนักเชือก) แรงตึงในเส้นเชือกที่มีแนวทิศขึ้นเส้นละครึ่งหนึ่งของน้ำหนักตัวไปหักล้างกับน้ำหนักตัวที่จับบาร์โหนอยู่สมดุลพอดี และในการจับบาร์ด้วยมือแต่ละแขน แต่ละแขนก็รับน้ำหนักครึงหนึ่งของน้ำหนักตัว เมื่อพยายามจะยกตัวเองด้วยแขนเดียวทำไมจึงยากขึ้นเป็นสองเท่า

รูปที่ 4.7 ผลรวมของแรงตึงในเส้นเชือกจะต้องเท่ากับแรงน้ำหนักตัวที่ห้อยโหน

คำถาม
เมื่อคุณก้าวขึ้นวัดน้ำหนักบนเครื่องชั่ง แรงกดลงด้านล่างคือแรงความโน้มถ่วง และแรงดันขึ้นด้านบนของพื้นที่ไปกดสะปริง ที่ปรับไว้รองน้ำหนักของคุณ ส่งผลให้เครื่องชั่งแสดงแรงที่รับน้ำหนักของคุณ ถ้าคุณยืนบนเครื่องชั่งสองเครื่องโดยแบ่งหน้กตัวไปที่แต่ละเครื่องชั่งเท่ากัน เครื่องชั่งแต่ละเครื่องอ่านว่าอะไร  เป็นอย่างไรถ้าคุณยืนกดน้ำหนักไปที่เท้าข้างหนึ่งมากกว่า

4.5 ความเสียดทาน
แม้ว่าจะมีให้แรงเพียงแรงเดียวกระทำต่อวัตถุ ปกติแล้วก็ไม่ใช่แรงเดียวนี้เท่านั้นที่มีผลต่อการเคลื่อนที่ ทั้งนี้เพราะยังมีความเสียดทานอยู่เสมอ  ความเสียดทานคือแรงที่มักกระทำในทิศทางที่ตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ มักเกิดกับผิวหน้าของวัตถุที่มาสัมผัสกันเป็นส่วนใหญ่ แม้แต่ผิวที่ราบเรียบก็ยังมีรอยหยาบละเอียดเมื่อมองดูด้วยกล้องจุลทรรศน์ เมื่อวัตถุหนึ่งเคลื่อนที่เลื่อนถูไปกับวัตถุอื่น การเคลื่อนไปบนส่วนที่ไม่เรียบไม่ก็ขูดเอาผิวหน้านั้นออกไป ไม่ว่าทางใดก็ต้องใช้แรงในการเคลื่อนผ่านไป
      ความเสียดทานไม่ได้จำกัดอยู่ที่ของแข็งเคลื่อนผ่านสัมผัสกันเท่านั้น ความเสียดทานยังเกิดขึ้นในของเหลวและแกส ซึ่งเรียกว่าของไหล(Fluid) ความเสียดทานของของไหลเกิดขึ้นเมื่อวัตถุเคลื่อนผ่านของไหลด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งหมด บางคนอาจเคยมีประสบการณ์วิ่งในน้ำตื้นลึกแตกต่างกัน ก็จะรู้ได้ถึงความยากลำบากต่อการเคลื่อนที่ในของเหลว แม้ว่าการเคลื่อนที่อัตราเร็วต่ำก็ตาม  ความตานทานอากาศเป็นความเสียดทานที่กระทำต่อสิ่งที่เคลื่อนที่ผ่านอากาศเป็นกรณีที่เห็นได้ทั่วไปในกรณีของความต้านทานของของของไหล
       เมื่อมีความเสียดทาน วัตถุอาจเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ขณะที่ให้แรงกระทำต่อวัตถุนั้น  ในกรณีนีแรงเสียดทานจะสมดุลกับแรงที่ให้กับวัตถุนั้น แรงลัพธ์จึงเป็นศูนย์ ดังนั้นจึงไม่มีความเร่ง  ตัวอย่างเช่นในภาพที่ 4.9 ผู้ผลักบล็อกวัตถุจะเคลื่อนไปได้ด้วยความเร็วคงที่ก็ต่อเมื่อออกแรงผลักมากพอที่ให้แรงสมดุบกับแรงเสียดทาน ถุงใส่ของที่ตกลงมาด้วยความเร็วคงที่ก็ต่อเมื่อความต้านทานอากาศสมดุลกับน้ำหนักของถุงใส่ของนั้น
             

รูปที่ 4.9 ออกแรงผลักลังไม้ไปทางขวา และแรงเสียดทานกระทำไปทางซ้าย ถุงใส่ของตกลงมาด้วยแรงโน้มถ่วง แรงต้านทานอากาศกระทำกับถุงทิศขึ้นด้านบน ทิศทางของแรงเสียดทานมีทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่เสมอ

คำถาม
1. ตามรูปที่ 4.6 แสดงให้เห็นเพียงสองแรงกระทำต่อหนังสือ คือน้ำหนักของหนังสือและแรงที่โต๊ะรับหนังสือ แรงเสียดทานไม่ได้กระทำอยู่ด้วยใช่หรือไม่
2.สมมุติวาเครื่องบินจัมโบเจ็ตเคลื่อนที่ไปด้วยความเร็วคงที่เมื่อแรงผลักดันเคลื่องยนต์คงที่ 80000 นิวตัน ให้หาความเร่งของเครื่องบินเจ็ต และมีแรงเสียดทานกระทำต่อเครื่องบินเจ็ตเท่าใด

4.6 การประยุกต์ใช้แรง ... ความดัน
เราสามารถที่จะนำหนังสือไปวางบนโต๊ะไม่ว่าจะวางในแนวราบหรือแผ่นปก หรือในแนวตั้งด้วยสันที่มุมหนึ่งของโต๊ะ แรงที่หนังสือทำกับโต๊ะและโต๊ะทำกับหนังสือก็ยังคงเท่าเดิม ตรวจสอบโดยใช้ตาชั่ง ชั่งสิ่งต่างๆ อันเดียวกันแต่ว่างที่ตำแหน่งต่างๆกัน  หรือแม้แต่ตัวของเรา  เมื่อถือหนังสือไว้บนฝ่ามือ จะว่างแบบไหนก็ตามให้สมดุลอยู่ได้ แม้ว่าแรงหนังสือทำต่อมือเนื่องจากแรงโน้มถ่วงและที่มีอกระทำต่อหนังสือ แม้ว่าจะเท่ากันเหมือนเดิม เราจะสังเกตุได้ถึงความแตกต่างที่หนังสือกดทับที่มือเมื่อพื้นที่หนังสือสัมผันมือแตกต่างกัน ทั้งนี้เพราะหว่าพื้นที่แตะสัมผัสกับมือแตกต่างกันในแต่ละกรณี  สำหรับแรงที่กระทำต่อหน่วยพื้นที่เรียกว่า ความดัน(pressure)
            ความดัน  =   แรง/พื้นที่แตะสัมผัสที่ใช้

โดยที่แรงตั้งฉากกับพื้นที่ผิวในรูปของสมการคือ

             P   =   F/A

เมื่อ P คือความดัน A เป็นพื้นที่ซึ่งแรงกระทำ แรงวัดในหน่วยเป็นนิวตัน ซึ่งต่างจากการวัดความดันที่วัดในหน่วยเป็นนิวตันต่อตารางเมตร(เรียกอีกอย่างว่าปาสคาล:Pa  เป็นหน่วยค่อนข้างใหม่รับเอามาเป็นหน่วยมาตรฐานในปี 1960

มีหลายคนเข้าใจผิดว่าหน้ายางรถยนต์ยิ่งกว้างทำให้ในการเคลื่อนยานยนต์มีความต้านทานมากขึ้น แต่การทำให้หน้ากว้างหรือพื้นที่มากขึ้นทำให้มีความดันน้อยลง ส่วนยางหน้าแคบหรือพื้นที่น้อยกว่ามีความดันน้อยกว่า จะช่วยลดความร้อนและการสึกหรอ

เรารับความดันกับพื้นที่ยืน  เมื่อยืนด้วยเท้าเดียวมากกว่ายืนด้วยสองเท้าทั้งนี้เพราะเท้าเดียวมีพื้นที่สัมผัสน้อยกว่า  การยืนด้วยหัวแม่เท้าดังเช่นนักเต้มบัลเลย์จะเกิดความดันสูงมาก ยิ่งมีพื้นที่น้อยเท่าไรที่รับแรงก็ยิ่งมีความดันบนพื้นที่นั้นมากเท่านั้น

กิจกรรม
1.ให้หาวิธีการวัดความดันขณะที่เรายืนบนผ่าเท่าเพียงเท้าเดียว

การแสดงสาธิตเรื่องความดันดังภาพที่ 4.12 ผู้แสดงคนหนึ่งให้แรงผ่านฆ้อนตีบล็อกซีเมนที่วางบนแผงตาปูที่ด้านแหลมกดผู้แสดงอีกคนดังในภาพ

รูปที่ 4.12 ผู้แสดงออกแรงผ่านฆ้อนตีบล็อกซีเมนด้านบนแตกที่ผู้แสดงอีกคนนอนอยู่ระหว่างแผงตาปูปลายแหลม แรงดันต่อตาปูไม่พอที่จะเจาะเข้าผิวหนัง

คำถาม
1. ความพยายามที่จะแสดงสาธิตดังในรูป 4.12 จะเป็นการดีหรือไม่ถ้าเริ่มจากตะปูน้อยๆ และทำต่อไปด้วยตะปูมากขึ้น
2.บล็อกซีเมนต์ที่มวลมากมีบทบาทสำคัญในการสาธิต จะทำให้ปลอดภัยมากขึ้น ถ้าให้บล็อกซีเมนต์มวลมากขึ้น หรือมวลน้อยลง

4.7 อธิบายการตกอย่างอิสระ
กาลิเลโอแสดงให้เห็นว่าวัตถุที่กำลังตกจะมีความเร่งเท่ากันไม่ว่ามวลของวัตถุจะเป็นเท่าใด ที่กล่าวมาเป็นจริงก็ต่อเมื่อไม่คิดความต้านทานอากาศ หรือมีน้อยมากตัดทิ้งได้  นั่นคือเมื่อวัตถุตกลงอย่างอิสระ จึงประมาณได้ว่าความเร่งเท่าเป็นจริงเมื่อความต้านทานอากาศน้อยมากเมื่อเทียบกับวัตถุที่กำลังตก  ตัวอย่างเช่น กระสุนปืนใหญ่ 10 กิโลกรัม และก้อนหิน 1 กิโลกรัมปล่อยให้ตกลงมาที่ระดับตำแหน่งหนึ่งที่เวลาเดียวกัน จะตกถึงพื้นพร้อมกันโดยประมาณ  การทดลองนี้กล่าวกันว่าทำการทดลองโดยกาลิเลโอ จากหอเอียงเมืองปิซา ล้มล้างแนวคิดของอริสโตเติลที่คิดให้วัตถุที่หนักกว่า 10 เท่า ควรจะตกได้เร็วกว่าวัตถุที่เบากว่า 10 เท่า  เพราะพิจารณาเฉพาะน้ำหนักที่มากกว่าเท่านั้น
       การทดลองของกาลิเลโอและคนอื่นๆ ก็ให้ผลยืนยันเหมือนกัน  แต่กาลิเลโอไม่ได้บอกว่าทำไม่ความเร่งจึงเท่ากัน แต่กฏข้อที่สองของนิวตันบอกให้เราพิจารณามวลของวัตถุด้วย  ซึ่งคิดได้ว่า เพิ่มแรงที่ทำเป็น 10 เท่าที่กระทำต่อวัตถุมวลมากขึ้น 10 เท่า ก่อให้เกิดความเร่งเดียวกัน กันกับ แรงหนึ่งในสิบเท่ากระทำกับมวลหนึ่งในสิบ
                               F/M  =  f/m
F แทนแรงที่กระทำต่อลูกกระสุนปืนใหญ่ M แทนมวลกระสุนปืนใหญ่  f, m แทนน้ำหนักและมวลของก้อนหิน จะเห็นว่าสัดส่วนน้ำหนักต่อมวล เท่ากันสำหรับกรณีนี้ และสำหรับวัตถุใดๆ การตกอย่างอิสระของวัตถุภายใต้ความเร่งเดียวกันในสถานที่หรือตำแหน่งเดียวกัน ความเร่งอันเนื่องจากความโน้มถ่วงแทนด้วย สัญลักษณ์ g
      เราสามารถแสดงผลอย่างเดียวกันโดยค่าของจำนวน น้ำหนักก้อนหิน 1 kb คือ 9.8 N ที่ผิวโลก น้ำหนัก 10 kg ของสาร เช่นลูกกระสุนปืนใหญ่คือ 98 N  แรงที่กระทำต่อวัตถุที่กำลังตกคือแรงเนื่องจากความโน้มถ่วง หรือน้ำหนักของวัตถุนั้น ความเร่งของก้อนหินคือ
       a = f/m  =  น้ำหนัก/มวล   =  9.8N/1kg  = 9.8 kg.m/s^2/1kg = 9.8 m/s^2 = g
สำหรับของลูกกระสุนปืนใหญ่
       a = F/M  =  น้ำหนัก/มวล   =  98N/10kg  = 98 kg.m/s^2/10kg = 9.8 m/s^2 = g
 

รูปที่ 4.14  สัดส่วนน้ำหนัก (F) ต่อมวล m  เหมือนกันสำหรับกระสุนปืนใหญ่ 10 kg และก้อนหิน 1 kg

คำถาม
1. ถ้าคุณอยู่บนดวงจันทร์และปล่อยฆ้อนและขนนกจากระดับเดียวกันที่เวลาเดียวกันแล้วจะตกถึงพื้นผิวดวงจันด้วยกันหรือพร้อมกันหรือไม่

4.8 การตกของวัตถุและแรงต้านทาน
ขนนกและเหรียญที่ตกลงมาด้วยความเร่งเท่ากันในหลอดศูนยากาศ แต่ไม่เท่ากันเมื่อมีอากาศอยู่ เมื่อปล่อยให้อากาศเข้าไปในหลอดศูนยากาศ และจัดให้ตกลงมาในหลอดอีกครั้งเหรียญจะตกลงมาอย่างรวดเร็วส่วนขนนกค่อยๆตกลงมา ความต้านทานอากาศทำให้แรงลัพธ์น้อยลง วัตถุเล็กหรือเหรียญ และใหญ่กว่าสำหรับขนนก การเคลื่อนที่ลงสำหรับขนนกนั้นความต้านทานอากาศต้านการเคลื่อนที่ หากแรงต้านทานอากาศที่กระทำต่อขนนกเท่ากับน้ำหนักขนนก แรงลัพธ์ที่กระทำต่อขนนกเป็นศูนย์และไม่เกิดความเร่งอีกต่อไป ขนนกจะเคลื่อนที่มาถึงอัตราเร็วปลาย  หรือความเร็วปลายหากคิดทิศทางการตก
     แรงต้านทานอากาศที่มีต่อเหรียญมีผลไม่มากที่อัตราเร็วไม่มากแรงต้านทานอากาศมีน้อยเทียบกับน้ำหนักของเหรียญ ความเร่งของเหรียญก็ลดลงเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับการตกอย่างอิสระ เช่นกันถ้าให้เคลื่อนที่ลงมาเรื่อยๆ ความเร็วก็จะเพิ่มช้าลงและก็เข้าสู่อัตราเร็วปลายเช่นกัน ที่เมื่อความต้านทานอากาศเพิ่มขึ้นเท่ากับน้ำหนักของเหรียญ
     ตัวอย่างอัตราเร็วปลายจากการกระโดดร่มว่ายอากาศก่อนกางร่ม นักกระโดดร่มอาจับมือกันหลายคนเพื่อให้เกิดแรงต้านอากาศเมื่อถึงอัตราเร็วปลายที่แรงต้านอากาศเท่ากับน้ำหนักของคน คนทั้งกลุ่มก็จะตกลงมาด้วยอัตราเร็วปลายนั้นก่อนที่จะกางร่ม  อัตราเร็วปลายการว่ายอากาศในการกระโดดร่มของคนประมาณ 150 -200km/h ขึ้นอยู่กับน้ำหนักและจุดที่ตก คนที่หนักกว่าจะมีความเร็วปลายมากกว่าคนที่เบากว่า คนที่หนักกว่าถ้ากางแขน ขาออกก็จะได้ความเร็วปลายที่ใกล้เคียงกับคนที่เบากว่า และเมื่อร่มกางแล้วอัตราเร็วปลายก็ถูกทำให้ลดลงเหลือ 15 - 25 km/h ที่ยอมรับได้

คำถาม
ถ้าคนที่หนัก และคนที่เบา กระโดดร่มด้วยกันจากระดับสูงเดียวกันแต่ละคนสวมชุดกระโดดร่มเดียวกัน ใครจะตกพื้นดินก่อนกัน

ถ้าเราถือลูกเทนนิสและลูกเบสบอลแล้วปล่อยลงพร้อมกัน จะเห็นว่าตกถึงพื้นในเวลาเดียวกัน แต่เมื่อปล่อยจากตึกสูงจะเห็นว่าลูกเบสบอลที่หนักกว่าถึงพื้นก่อน ทั้งนี้เพราะเกิดแรงเสียดทานมากขึ้นกับวัตถุที่หนักที่อัตราเร้วมาก  สำหรับที่อัตราเร็วต่ำความต้านทานอากาศอาจน้อยไม่นำมาคิด  สำหรับที่อัตราเร็วสูงจะเห็นได้ถึงความแตกต่าง

คำถาม
ถ้าแรงต้านอากาศเท่ากันสำหรับการตกของลูกเทนนิสและลูกเบสบอล แล้วการตกของอะไรมีความเร่งมากกว่า

สรุปบทที่ 3 คำถามทบทวน

กาลิเลโอสรุปว่าถ้าไม่มีแรงเสียดทานแล้วการเคลื่อนที่ของวัตถุยังคงเคลื่อนที่ต่อไปไม่สิ้นสุด

ตามกฏการเคลื่อนที่ข้อที่ 1 ของนิวตัน หรือกฏของความเฉื่อย วัตถุทั้งหลายยังคงอยู่ในสถานะหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ตามแนวเส้นตรงด้วยอัตราเร็วคงที่นอกจากว่ามีแรงมากระทำให้เปลี่ยนสถานะ

ความเฉื่อยคือความต้านทานของวัตถุต่อการเปลี่ยนสถานะการเคลื่อนที่
-มวลคือการวัดความเฉื่อยของวัตถุมวลนั้น
-มวลไม่ใช่สิ่งเดียวกับปริมาตร
-มวลไม่ใช่สิ่งเดียวกับน้ำหนัก
-มวลของวัตถุขึ้นอยู่กับปริมาณและชนิดของสารที่อยู่ภายใน ไม่ได้ขึ้นอยู่กับที่ตั้งของวัตถุ
-น้ำหนักขอวัตถุคือแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุนั้น และขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ตั้ง

คำถามทบทวน
1.การเคลื่อนที่ตามแนวคิดของอริสโตเติลระหว่างการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ และการเคลื่อนที่ที่ฝ่าผืน ตามที่เขาเสนอแตกต่างกันอย่างไร?

2.อะไรเป็นผลของแรงเสียดทานต่อการเคลื่อนที่ของวัตถุ? และวัตถุยังคงรักษาอัตราเร็วได้ได้อย่างไร เมื่อมีแรงเสียดทานมากระทำ?
3. ทำไมโคเปอร์นิคัสลังเลใจที่จะตีพิมพ์แนวคิดของเขา
4. อัตราเร็วลูกบอลเคลื่อนหมุนลงมาเพิ่มขึ้น
5 กาลิเลโอพบว่าลูกบอลเคลื่อนหมุนลงตามพื้นเอียงความเร็วจะเพิ่มจึ้นเพียงพอจะเคลื่อนขึ้นพื้นเอียงอีกด้านหนึ่งได้  ลูกบอลจะเคลื่อนหมุนขึ้นเท่าใดเปรียบเทียบกับความสูงตอนเริ่มต้นปล่อยลูกบอล
6.กฏของความเฉื่อยใช้ได้กับ วัตถุที่เคลื่อนที่ วัตถุที่อยู่นิ่งหรือทั้งสอง สนับสนุนคำตอบของท่านด้วยตัวอย่าง
7 กฏของความเฉื่อยกล่าวว่าไม่จำเป็นต้องมีแรงมากระทำให้การเคลื่อนที่ยังคงอยู่ต่อไป ทำไม เมื่อไร เราจำเป็นต้องปั่นที่ถีบจักรยานต่อไปเพื่อให้จักรเคลื่อนที่ต่อไป
8. ถ้าท่านอยู่ในยานอวกาศ และยิ่งปืนใหญ่ออกไปในสเปสซ์ที่ไม่มีความเสียดทาน จะต้องใช้แรงเท่าใดกระทำต่อลูกบอล เพื่อให้ลูกบอลเคลื่อนที่ต่อไป
9.ก้อนหิน 2kg มีมวลเป็นสองเท่าของก้อนหิน 1kg  เป็นสองเทาของความเฉื่อย  เป็นสองเท่าของน้ำหนัก(เมื่อชั่งน้ำหนักที่ตำแหน่งเดียวกัน)
10.ตะกั่วที่หลอมละลาย 1ลิตร ที่มีปริมาตรเท่ากับน้ำส้มคั้น 1 ลิตร มีมวลเท่ากันหรือไม่
11. ตามแบบฟิสิกส์ทำไมกล่าวว่ามวลมีมูลฐานมากกว่าน้ำหนัก
12.ทั้งช้างและหนู มีน้ำหนักเดียวกันคือเป็นศูนย์ในสเปสซ์ที่อิสระจากแรงโน้มถ่วง ถ้าทั้งช้างและหนู่เคลื่อนมายังที่เราอยู่ด้วยอัตราเร็วเดียวกัน ทั้งคู่พุ่งเข้าชนเราแล้วเกิดผลเดียวกันหรือไม่ อธิบาย
13.น้ำหนัก ของ โยเกิร์ตมวล 2 kg  เป็นเท่าใด
14.ยกเหรียญไปเหนือศีรษะขณะอยู่ในรถบัสที่หยุดนิ่ง  แล้วปล่อยเหรียญตกลงบนเท้าพอดี จะเป็นอย่างไรถ้าปล่อยเหรียญขณะเมื่อรถเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่ตามเส้นตรง
15.ผู้โดยสารรถยนต์จำนวนมากได้รับบาดเจ็บที่คอจากอุบัติเหตุรถยนต์อิ่นมาชนท้าย นำกฏความเฉื่อยของนิวตันมาใช้ในกรณีอธิบายได้อย่างไร ที่พักศีรษะเหนือเบาะที่นั่งช่วยป้องกันการบาดเจ็บที่คอได้อย่างไร?
16.ในห้องคาบินคนขับเครื่องบินเจ็ตที่บินที่ความเร็ว 600 km/h ปล่อยหมอนจากช่องเก็บเหนือศีรษะตกลงมาบนตักด้านล่าง เนื่องจากเครื่องบินเจ็ตบินเร็วมาก ทำไมหมอนไปไปชนด้านหลังของเครื่องบินเนื่องจากเครื่องบินเคลื่อนไปข้างหน้าขณะที่หมอนตกลงมา (ความเร็วในแนวระดับของหมอนเท่าใดเมื่อเทียบกับพื้นดิน และเทียบกับคนที่นั่งในเครื่องบินเจ็ต
17.เมื่อเราบีบฟองน้ำ ปริมาณใดเปลี่ยนแปลง  มวล ความเฉื่อย ปริมาตร หรือ น้ำหนัก?
18.ลูกบอลเนื้อแน่นแขวนด้วยเชือกจากด้านบนแล้วค่อยๆดึงเชือกจากด้านล่างความตึงในเส้นเชือด้านบนหรือด้านล่างมากกว่ากัน เชืือกด้านบนหรือด้านล่างขาดก่อนกัน  เป็นคุณสมบัติมวลหรือน้ำหนักอันไหนมีความสำคัญมากกว่ากัน  และทำอย่างไรถ้าดึงเชื่อกแล้วให้ขาดที่เชือกด้านล่างลูกบอล

บทที่ 3 กฏการเคลื่อนที่ข้อที่ 1 ของนิวตัน : ความเฉื่อย

3.1อริสโตเติลกับการเคลื่อนที่
แนวคิดที่แรงเป็นสาเหตุของการเคลื่อนที่ ย้อนกลับไปเมื่อ 4 ศตวรรษก่อนคริตศักราช เมื่อชาวกรีกได้พัฒนาแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกก่อนใครอื่นคืออริสโตเติล(Aristotle) ผู้ที่ศึกษาการเคลื่อนที่และแบ่งออกได้สองประเภท คือการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ และการเคลื่อนที่ขัดขืน(violent motion)
     การเคลื่อนที่ตามธรรมชาติบนโลกคิดให้เป็น เคลื่อนที่ขึ้นหรือเคลื่อนที่ลง เช่นการตกของก้อนหินลงสู่พื้น หรือการเคลื่อนที่ขึ้นของกลุ่มควันขึ้นสู่อากาศ วัตถุพยายามที่แสวงหาที่หรือตำแหน่งที่พักตามธรรมชาติ ก้อนหินอยู่บนพื้นดิน กลุ่มหมอกควันอยู่สูงขึ้นไปในอากาศเช่นเมฆ เป็นธรรมชาติสำหรับสิ่งที่หนักที่จะตกลงมาสิ่งที่เบาลอย อริสโตเติลได้อ้างว่า สำหรับสวรรค์เบื้องบน การเคลื่อนที่เป็นวงกลมเป็นเรื่องธรรมชาติ การคงอยู่นั้นปราศจากการเริ่มต้นและจุดจบ ดังนั้นดาวเคราะห์ ดวงดาวต่างๆ เคลื่อนที่เป็นวงกลมที่สมบูรณ์รอบโลก เนื่องจากการเคลื่อนที่เป็นไปตามธรรมชาติ ไม่ได้มีสาเหตุมาจากแรง
     การเคลื่อนที่ที่ฝ่าฝืนในอีกทางหนึ่งมีการกระทำต่อการเคลื่อนที่ เป็นผลจากแรงจากการผลักหรือดึง เกวียนเคลื่อนที่เพราะว่ามีแรงมาลาก การชักกะเย่อชนะโดยการดึงเชือก เรื่อถูกผลักให้เคลื่อนไปจากแรงลม แรงสำคัญที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ฝ่าฝืนคือมีสาเหตุจากภายนอกฝ่าฝืนการเคลื่อนที่ที่บางส่วนของวัตถุ วัตถุที่อยู่ที่ตำแหน่งพักไม่สามารถเคลื่อนโดยตัวเอง แต่ถูกผลักหรือถูกดึง
     เป็นเรื่องการคิดกันทั่วไปเกือบ 2000 ปี เมื่อให้วัตถุเคลื่อนที่ขัดกับการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ แล้วจะต้องมีแรงบางชนิดเข้ามาเกี่ยวข้อง การเคลื่อนที่ดังกล่าวเป็นไปได้เพราะว่าแรงจากภายนอกเท่านั้น ถ้าไม่มีแรงมากระทำก็จะไม่มีการเคลื่อนที่ ดังนั้นสถานะที่เหมาะสมของวัตถุคือที่ตำแหน่งที่พัก ถ้าไม่ถูกดึงหรือผลัก เนื่องจากได้มีหลักฐานให้กับนักคิดทั้งหลายจนถึงศตวรรษที่ 17 ี่โลกต้องอยู้่ในตำแหน่งที่เหมาะสม และแรงที่มากพอในการเคลื่อนที่ไม่สามารถคิดกัน ดูเหมือนว่าเป็นที่ชัดเจนที่โลกไม่ได้เคลื่อน

3.2โคเปอร์นิคัส และโลกที่เคลื่อนที่
     ในบรรยากาศนี้ที่นักดาราศาสตร์ Nicolaus Copernicus (1473-1543)  ได้ตั้งทฤษฎีของโลกที่เคลื่อนที่ โคเบอร์นิคัสให้เหตุผลจากการการเฝ้าสังเกตทางดาราศาสตร์ของเขา ที่คิดให้โลกเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ แนวคิดนี้เป็นเรื่องที่ถกเถียงกันอย่างเผ็ดร้อนในช่วงเวลาของเขา และเขาได้ทำงานต่อไปตามแนวคิดของเขาและได้หลบนี้โทษทันฑ์จากการยืนยันแนวคิดนี้ และในช่วงสุดท้ายของชีวิตเขา เขาได้กระตุ้นผลักดันให้เพื่อนสนิทได้ส่งแนวคิดของเขาออกไปตีพิมพ์ เป็นงานสำเนาแรกของเขา เอกสารนี้ถึงมือเขาก็เป็นวันที่เขาเสียชีวิต ในเดือนพฤษภาคม 1543

3.3 กาลิเลโอกับการเคลื่อนที่
      กาลิเลโอนักวิทยาศาสตร์ที่ปราศเปรื่ยงมากที่สุดในศตวรรษที่17 เป็นคนแรกที่แสดงให้เห็นถึงแนวคิดการเคลื่อนที่ของโคเปอร์นิคัสนั้นมีเหตุผล กาลิเลโอทำเรื่องนี้โดยการสาธิตหลักเรื่องแรงที่จำเป็นทำให้วัตถุเคลื่อนที่
     แรงไม่ว่าเป็นแรงผลักหรือแรงดึง  แรงเสียดทางเป็นชื่อที่กำหนดให้กับแรงที่กระทำระหว่างสาร ที่เคลื่อนที่ออกจากกันและกัน แรงเสียดทานเกิดขึ้นจากผิวหน้าของวัตถุที่ไม่ราบเรียบที่นำมาขัดถูกัน แม้แต่ผิวที่ลื่นเรียบก็ยังมีความไม่ราบเรียบในระดับไมโครที่มีส่วนที่ขัดขวางการเคลื่อนที่ ถ้าความเสียดทางไม่มี การเคลื่อนที่ของวัตถุก็ไม่ต้องการแรงเพื่อให้วัตถุเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง
     กาลิเลโอแสดงให้เห็นเฉพาะเมื่อความเสียดทางปรากฏตามปกติ จะต้องใช้แรงเพื่อให้วัตถุเคลื่อนที่ เขาทดสอบแนวคิดของเขาด้วยพื้นเอียงที่ยกให้สูงขึ้นที่ปลายด้านหนึ่ง ให้ลูกบอลเคลื่อนที่หมุนลงตามพื้นเอียงมีอัตราเร็ว ตามรูป 3.2 ทางซ้าย โดยเคลื่อนหมุนลงตามพื้นเอียงบางองศาตามทิศของความโน้อมถ่วงของโลก แล้วลูกบอลเคลื่อนที่หมุนขึ้นตามแนวพื้นเองด้วยอัตราเร็วช้าลงต้านกับความโน้มถ่วงของโลก และมีการเคลื่อนที่อย่างไรบนพื้นผิวในแนวระดับ เมื่อไม่ได้เคลื่อนที่ทั้งตามความโน้มถ่วยและต้านความโน้มถ่าง รูป 3.2 ทางขวา เขาพบว่าสำหรับพื้นระนาบที่เรียบลูกบอลเคลื่อนหมุนไปโดยไม่เปลี่ยนอัตราเร็ว เขาจึงกล่าวว่าถ้าความเสียดทานไม่มีเลยการเคลื่อนที่ของลูกบอลตามแนวระนาบจะเคลื่อนที่ไปได้ตลอดไปโดยไม่มีแรงหลักหรือแรงดึงที่จะต้องใช้เพื่อจะให้ยังคงเคลื่อนที่ต่อไป

     ข้อสรุปของกาลิเลโอได้รับสนับสนุน จากการทดลองเรื่องพื้นเอียงสองด้านหันเขาหากันดังรูปที่ 3.3 เขาพบว่าลูกบอลที่เคลื่อนหมุนลงมาตาระนาบหนึ่งแล้วเคลื่อนหมุนขึ้นอีกระนาบหนึ่งให้ระบบสูงใกล้เคียงกับตำแหน่งที่เริ่มเคลื่อนที่ลง ยิ่งมีความลื่นของพื้นเอียงมากเท่าใดก็จะทำให้การเคลื่อนที่ขึ้นสูงใกล้เคียงกับความสู่งที่เริ่มเคลื่อนที่ลงมามากเท่านั้น ไม่ว่าพื้นเอียงอีกด้านหนึ่งจะเอียงมากน้อยเท่าใดก็ตาม ถ้าความเอียงของพื้นเอียงระนามที่สองให้เอียงลดลงจนเป็นศูนย์ระนาบก็จะอยู่ในแนวระดับอย่างสมบูรณ์ แล้วลูกบอลจะเคลื่อนหมุนไปได้ไกลเท่าใด  เขาตระหนักดีว่าเฉพาะความเสียดทานที่ขัดขวางไม่ให้เคลื่อนที่ตลอดไป ไม่ใช่เพราะเป็นธรรมชาติของลูกบอลที่เคลื่อนไปตำแหน่งพักตามที่อริสโตเติลกล่าวอ้าง การไม่มีความเสียดทาน การเคลื่อนที่ของลูกบอลก็คงทำให้บอลเคลื่อนที่ไม่หยุดตามธรรมชาติ กาลิเลโอได้กล่าวว่าทุกวัตถุสารมีความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงสถานะการเคลื่อนที่และเขาเรียกการต้านทานนี้ว่าความเฉื่อย(inertia)

มโนทัศน์ความเฉื่อยของกาลิเลโอไมให้ความเชื่อถือทฤษฏีการเคลื่อนที่ของอริสโตเติลอีกต่อไป  และคงจะเห็นได้ว่าแม้ว่าแรง(ความโน้มถ่วง)จำเป็นต้องใช้เพื่อยึดโลกให้อยู่ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ ไม่มีแรงอื่นที่จำเป็นต้องมีเพื่อรักษาสภาพการเคลื่อนที่ของโลกต่อไป  ไม่มีความเสียดทานในสเปสซ์ที่ว่างเปล่าของระบบสุริยะและโลก ดังนั้นตามเส้นทางเคลื่อนไปรอบด้วงอาทิตย์โดยไม่มีการสูญเสียอัตราเร็ว จากแนวทางที่กล่าวมาเปิดโอกาสให้ไอแซก นิวตัน (Isaac Newton :1642-1727) ที่จะสังเคราะห์เป็นมโนทัศน์ใหม่ของจักรวาล

3.4 กฏความเฉื่อยของนิวตัน
     ภายในปีที่กาลิเลโอเสียชีวิต ไอแซกนิวตันก็ถือกำเนิดมา  ในปี 1665 เมื่อเขาอายุได้ 23 ปี นิวตันได้พัฒนากฏการเคลื่อนที่อันมีชื่อเสียง เขาไปแทนที่แนวคิดของอริสโตเติลที่ได้มีอิทธิพลในการคิดของทรงปัญญาทั้งหลายเป็นว่าเวลาเกือบ 2000 ปี
     ในบทนี้กล่าวถึงกฏข้อที่ 1 ของนิวตันจากกฏ 3 ข้อ กฏอีก 2 ข้อจะกล่าวถึงในบทต่อๆ ไป
กฏข้อที่ 1 ของนิวตัน ปกติแล้วเรียกว่ากฏของความเฉื่อย เป็นการกล่าวแนวคิดของกาลิเลโออีกครั้งดังนี้ วัตถุทั้งหมดที่หยุดนิ่งก็จะนิ่งอยู่ต่อไป หรือที่กำลังเคลื่อนที่อยู่ในแนวเส้นตรงด้วยอัตราเร็วคงที่ก็จะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่ต่อไปนอกเสียจากว่ามีแรงจากภายนอกมากระทำให้เปลียนสถานะการเคลื่อนที่

คำถาม
ลูกบอลหนึ่งเคลื่อนที่หมุนข้ามโต๊ะบิลเลียด แล้วเคลื่อนหมุนไปจนหยุด อริสโตเติลตีความพฤติกรรมการเคลื่อนที่นี้อย่างไร และกาลิเลโอตีความอย่างไร

กฏข้อที่ 1 ของนิวตัน ยกตัวอย่างในกรณีวางจานอยู่ด้านบนของโต๊ะ เป็นตัวอย่างที่อยู่ในสถานะที่นิ่ง มีความโน้มเอียงที่ยังคงนิ่งต่อไป ถ้าหากจานวางอยู่บนผ้าปูโต๊ะ แล้วดึงผ้าปูโต๊ะออกอย่างรวดเร็ว เราจะพบว่ามีแรงเสียดทานน้อยระหว่างจานและผ้าปูโต๊ะที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว แรงไม่มากพอที่จะเคลื่อนที่จานออกไปตามผ้าที่ดึงออก ถ้าวัตถุเช่นจานอยู่ในสถานะนิ่ง ก็ยังคงนิ่งต่อไปนอกจากมีแรงมากระทำต่อวัตถุ

ไม่มีวัตถุใดที่อยู่เฉยๆ แล้วเคลื่อนที่ได้เอง และเมื่อทำให้เคลื่อนที่ได้แล้วก็ใช่ว่าจะเคลื่อนที่อยู่ได้ตลอดไป บางครั้งออกแรงทำให้เคลื่อนที่เท่ากันแต่เคลื่อนที่ได้ไม่เท่ากัน ทั้งนี้เป็นเพราะแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นในระบบ เช่นการเลื่อนสไลด์บนพื้นที่เรียบไปได้ไกลกว่าบนพื้นที่ขรุขระ การสไลด์บนน้ำแข็งไปได้ไกลกว่าพื้นเรียบอื่น และถ้าสไลด์บนแอร์แทรคที่ทำให้มีความต้านทานน้อยที่สุด หรือถือว่าไม่มีความเสียดทานในทางปฏิบัติ ก็ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ได้โดยไม่ลดอัตราเร็วได้โดยไม่มีแรกงภายนอกมากระทำ วัตถุโน้มเอียงที่จะเคลื่อนไปในแนวเส้นตรงอย่างไม่สิ้นสุด  การปล่อยวัตถุจากยานอวกาศที่อยู่ในศูนยากาศที่สเปสซ์นอกโลกออกไปวัตถุจะเคลื่อนที่ไปอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ถือว่าเคลื่อนที่ไปจากผลของความเฉื่อยของตัวเอง

ดังนั้นเราจะเห็นว่ากฏของความเฉื่อยได้ให้แนวทางที่แตกต่างในการมองการเคลื่อนที่ ที่ซึ่งคนโบราณคิดว่าแรงเป็นตัวการที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ แต่ตอนนี้เรารู้แล้วว่าวัตถุจะเคลื่อนที่ต่อไปโดยตัวเอง  แรงจำเป็นต้องใช้เพื่อเอาชนะความเสียดทาน แรงที่จัดให้มีขึ้นทำให้วัตถุเคลื่อนที่ในตอนเริ่มต้น และทันทีที่วัตถุเคลื่อนที่ไปแล้วในสิ่งแวดล้อมที่อิสระจากแรงที่มากระทำในแนวเส้นตรงวัตถุน้นก็เคลื่อนที่ไปตลอดไป

คำถาม
1.ถ้าทันทีที่แรงความโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์หยุดการกระทำต่อดาวเคราะห์ แล้วดาวเคราะห์จะเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางใด
2. เป็นการถูกต้องหรือไม่ที่กล่าวว่า เหตุผลที่วัตถุต้านทานสถานะการเปลี่ยนแปลง และดำรงสถานะการเคลื่อนที่ต่อไปเพราะว่ามีความเฉื่อย

3.5 มวล คือการวัดความเฉื่อย 
เมื่อเต๊ะกระป๋องเปล่าแล้วมันเคลื่อนที่ แต่ถ้าใส่ทรายไว้ในกระป๋องเต๊ะแล้วยากที่จะเคลื่อนที่ หรือใส่โลหะเช่นตะกั่วไว้ เมื่อเต๊ะนอกจากไม่เคลื่อนที่แล้วอาจทำให้เจ็บเท้าได้  กล่าวได้ว่ากระป๋องตะกั่วมีความเฉื่อยมากกว่ากระป๋องทราย นั่นคือต่างก็มีความเฉื่อยมากกว่ากระป๋องเปล่า  กระป๋องที่มีสารมากที่สุดก็จะมีความเฉื่อยมากที่สุด ปริมาณความเฉื่อยที่มีในวัตถุขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุนั้น  นั่นคือจำนวนสารที่มีในวัตถุนั้น ยิ่งวัตถุมีมวลมากก็ยิ่งต้องใช้แรงมากในการเปลี่ยนสถานะการเคลื่อนที่  มวลก็คือการวัดความเฉื่อยของวัตถุ

มวลไม่ใช่ปริมาตร
หลายคนสับสนในเรื่องมวลกับปริมาตร โดยคิดว่าถ้าวัตถุใดมีมวลมากแล้ว จะต้องมีปริมาตรมากด้วย โดยที่การวัดปริมาตรคือการวัดสเปสซ์มีหน่วยเป็นลูกบาศก์เซ็นติเมตร , ลูกบาศก์เมตร หรือคิวบิกเมตร ลิตร  ส่วนมวลวัดในหน่วยกิโลกรัม (โดยทั่วไป 1 ลิตรของนม โซดา น้ำส้ม ในรูปของน้ำหรือของเหลวก็จะมีมวลประมาณ 1 กิโลกรัม) มีกี่กิโลกรัมของสารที่มีอยู่ในวัตถุนั้น และมีสเปสซ์เท่าไรที่แทนที่ด้วยวัตถุนั้น เป็นสองอย่างที่แตกต่างกัน  อันไหนมีมวลมากกว่ากันหมอนนุ่นหรือแบตเตอร์รีรถยนต์ เห็นได้ชัดว่าทำให้แบตเตอร์รีเคลื่อนที่ได้ยากกว่าหมอนนุ่น เป็นหลักฐานอ้างอิงได้ว่าแบตเตอร์รีมีความเฉื่อยมากกว่า ดังนั้นจึงมีมวลมากกว่า หมอนนุ่นดูโตกว่า มีปริมาตรมากกว่า แต่มีมวลน้อยกว่า มวลจึงต่างจากปริมาตร

มวลไม่ใช่น้ำหนัก
     คนมักจะสับสนเรื่องมวลกับน้ำหนักมากที่สุด เรากล่าวว่าบางอย่างมีสารอยู่มากถ้ามันหนัก ทั้งนี้เพราะเราคุ้นเคยกับการวัดปริมาณของสารในวัตถุหนึ่งโดยใช้แรงดึงดูดระหว่างมวลนั้นกับโลก  แต่มวลนั้นเป็นรากฐานหรือมูลฐานมากกว่าน้ำหนัก มวลคือการวัดเนื้อสารที่มีอยู่จริงในวัตถุ ขึ้นอยู่กับจำนวนและชนิดของอะตอมที่ประกอบกันเป็นสารนั้น น้ำหนักคือการวัดแรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อวัสดุสารหรือวัตถุ และขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ตั้งของวัตถุนั้น
     จำนวนของสารในก้อนหินเฉพาะหนึ่งจะเหมือนเดิมไม่ว่าก้อนหินนั้นไปวางอยู่ที่ใด บนโลก บนดวงจันทร์ หรือบริเวณที่อิสระจากแรงกระทำในอวกาศนอกโลก  นั่นเป็นเพราะความเฉื่อยของหินเป็นคุณสมบัติเฉพาะตัวของหินไม่เกี่ยวกับตำแหน่งที่ตั้ง
     แต่น้ำหนักของหินนั้นแตกต่างกันบนโลก บนดวงจันทร์ และแตกต่างกันที่อวกาศนอกโลกถ้าหากก้อนหินนั้นอยู่ห่างออกไปจากแหล่งความโน้มถ่วงที่สูงมาก ที่ผิวดวงจันทร์ก้อนหินนั้นจะมีน้ำหนักเพียงหนึ่งในหกของน้ำหนักบนโลก ทั้งนี้เพราะรุนแรงความโน้มถ่วงมีค่าเพียงหนึ่งในหกเมื่อเปรียบเทียบกับความรุนแรงความโน้มถ่วงบนโลก ถ้าก้อนหินนั้นอยู่ในบริเวณสเปสซ์ที่อิสระจากแรงโน้มถ่วงใดๆ น้ำหนักของก้อนหินนั้นจะเป็นศูนย์ ขณะที่มวลไม่ได้เป็นศูนย์ มวลจึงต่างจากน้ำหนัก ซึ่งเราสามารถกำหนดมวลและน้ำหนักได้ดังนี้
     มวล  ประมาณของสารที่มีในวัตถุ ที่เป็นการเฉพาะขึ้น คือการวัดความเฉื่อย ที่วัตถุนั้นตอบสนองต่อการเริ่มต้น การหยุด หรือเปลี่ยนสถานะการเคลื่อนที่ใดๆ
     น้ำหนัก แรงเนื่องจากความโน้ม่ถ่วงที่กระทำต่อวัตถุ

     มวลและน้ำหนักไม่ใช่สิ่งเดียวกัน แต่เป็นสัดส่วนกันและกัน วัตถุที่มีมวลมากจะมีน้ำหนักมาก วัตถุที่มีมวลน้อยจะมีน้ำหนักน้อย ที่ตำแหน่งที่ตั้งเดียวกันได้ว่าสองเท่าของมวลก็จะมีน้ำหนักเป็นสองเท่าเช่นกัน มวลและน้ำหนักจึงเป็นปฏิภาคกันและกัน  มวลนั้นเกี่ยวเนื่องกับปริมาณสารที่มีอยู่ในวัตถุ น้ำหนักเกี่ยวเนื่องกับวัตถุสารนั้นถูกแรงโน้มถ่วงของโลกดึงดูดเท่าใด

คำถาม
1.แท่งเหล็ก 2 kg มีความเฉื่อยเป็นสองเท่าของแท่งเหล็ก 1 kg หรือไม่?  เป็นสองเท่าของมวลหรือไม่? เป็นสองเท่าของปริมาตรหรือไม่? เป็นสองเท่าของน้ำหนักที่ตำแหน่งเดียวกันหรือไม่?
2.กล้วยมัดหนึ่งมวล 2 kg มีความเฉื่อยเป็นสองเท่าของขนมปังก้อน 1kg มีมวล น้ำหนัก และปริมาตร เป็น 2 เท่าหรือไม่?

มวล 1 kg  มีน้ำหนัก 9.8 นิวตัน
โดยทั่วไปประเทศต่างๆอธิบายจำนวนสารที่มีอยู่ในวัตถุโดยใช้แรงโนมถ่วงที่ดึงเข้าสู่โลก หรือโดยน้ำหนักของวัตถุนั้น การวัดวัสดุสารมักใช้หน่วยมวล กิโลกรัม (kg) เป็นหน่วยเมตริกสากล(SI) มวลเป็นกิโลกรัม หน่วยของแรงเป็น นิวตัน โดยแรง 1 นิวตัน (N) ตั้งให้เกียรติแก่นิวตัน ถุงตะปู 1 กิโลกรัมมีน้ำหนักในระบบหน่วยSI เท่ากับ 9.8 นิวตัน  ที่ห่างไกลจากผิวพื้นโลกที่ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงน้อยจะมีน้ำหนักน้อย

คำถาม
ข้อความที่กล่าวว่า ถุงตะปู 1 กิโลกรัมมีน้ำหนัก 9.8 N ที่ผิวโลก แล้ว 1 Kg โยเกิร์ตหนัก 9.8 นิวตันด้วยหรือไม่

3.6 การเคลื่อนที่ของโลกในรายละเอียด
เมื่อโคเปอร์นิคัสประกาศแนวคิดการเคลื่อนที่ของโลกในศตวรรษที่ 16 มีข้อโต้เถียงเห็นแย้งมากมาย จากแนวคิดที่วิพากษ์วิจารณ์ ข้อโตเถียงอย่างหนึ่งถึงโลกที่เคลื่อนที่ดังนี้
     เมื่อพิจารณานกที่เกาะอยู่บนยอดไม้ บนพื้นดินก็มีตัวหนอนเคลื่อนที่ นกมองเห็นหนอนบินร่อนลงมาจับหนอนกิน เรื่องนี้คงเป็นไปไม่ได้ถ้าโลกเคลื่อนที่ตามที่โคเปอร์นิคัสเสนอแนะ ถ้าโคเปอร์นิคัสถูกต้อง ว่าโลกคงจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 107000 km/h ในการเคลื่อนที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ใน 1 ปี  โดยแปลงอัตราเร็วเป็น กิโลเมตรต่อวินาทีก็จะได้อัตราเร็ว 30 km/s แม้ว่านำจากเคลื่อนลงจากกิ่งไม้มาใน 1 วินาทีตัวหนอนก็อาจจะเคลื่อนไปจากการเคลื่อนที่ของโลก ถึง 30 กิโลเมตรห่างออกไป สำหรับนกที่จะไปจับหนอนภายใต้สถานะการณ์แบบนี้จึงเป็นไปไม่ได้  ตามความจริงนกจับหนอนจากตำแหน่งที่สูงบนต้นไม้ที่มีหลักฐานชัดแจ้งว่าโลกนั้นหยุดนิ่ง
    เราสามารถที่จะปฏิเสธข้อโต้แย้งนี้ได้หรือไม่ เราสามารถทำได้ไม่ยากถ้านำแนวคิดเรื่องความเฉื่อยมาใช้  เห้นได้ว่าไม่เพียงแต่โลกเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 30km/s เท่านั้น ตั้นไม้ กิ่งไม้ นกที่เกาะอยู่บนกิ่งไม้ หนอนข้างล่าง และอากาศที่แทรกอยู่ ต่างก็เคลื่อนที่ด้วย 30 km/s  วัตถุที่เคลื่อนที่ก็ยังคงเคลื่อนที่ถ้าไม่มีแรงภายนอก(ที่ไม่สมดุลย์)มากระทำ ดังนั้นเมื่อนกบินร่อนลงมาจากกิ่งไม้อัตราเร็วไปด้านหนึ่ง 30 km/s ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง นกจับหนอนกินได้โดยไม่ได้รับผลกระทบจากการเคลื่อนที่ผลรวมของสิ่งแวดล้อม
     เมื่อเรายืนหน้ากำแพง เมื่อกระโดดขึ้นดังนั้นเท้าของเราไม่ได้แตะอยู่กับพื้น ทำไมกำแพงที่เคลื่อนที่ 30 km/s ไม่ชนตัวเรา ทำไม  คำตอบง่ายๆ ก็คือเราก็เคลื่อนที่เท่ากับ 30 km/s อยู่เหมือนกัน ก่อน ระหว่าง และหลังการกระโดด อัตราเร็ว 30 km/s เป็นอัตราเร็วของโลกเทียบกับดวงอาทิตย์ ไม่ใช่อัตราเร็วของกำแพงเทียบกับเรา
    คนเมื่อสามร้อยปีมาแล้วประสบความยุ่งยากกับแนวคิดเช่นนี้ไม่เพียงแต่เพราะว่าล้มเหลวในการทำความเข้าใจเรื่องความเฉื่อยแล้วยังไม่คุ้นเคยกับการเคลื่อนที่ของยานยนต์ที่อัตราเร็วสูง การขับขี่เกวียนเทียมม้ายังไม่เพียงพอที่จะทดลองให้เห็นถึงค่าความเฉื่อยในสมัยนั้น  ปัจจุบันเราโยนเหรียญในรถหรือเครื่องบินที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง และเราตรวจจับการเคลื่อนที่ของเหรียญในแนวดิ่งเหมือนกับที่เราทำตอนที่รถหยุดนิ่ง  เราจะเห็นหลักฐานยืนยันสำหรับกฏของความเฉื่อยที่เมื่อการเคลื่อนที่ในแนวระดับ ก่อน ระหว่างและหลังจาก การตรวจจับเหรียญเมื่อตกลงมา ซึ่งเราสามารถจับไว้ได้เหมือนกัน แรงโน้มถ่วงในแนวดิ่งมีผลเฉพาะการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งของเหรียญ
    ของสังเกตของเราถึงการเคลื่อนที่ในปัจจุบันแตกต่างจากการเคลื่อนที่ในสมัยโบราณ อริสโตเติลไม่เข้าใจแนวคิดเรื่องความเฉื่อยเพราะว่าล้มเหลวที่จะจินตนาการว่าการเคลื่อนที่จะเป็นอย่างไรถ้าไม่มีความเสียดทานหรือแรงต้าน ตามประสบการณ์ของเขา การเคลื่อนที่ทั้งหมดถูกบังคับควบคุมจากแรงเสียดทานเป็นหลักตามทฤษฎีการเคลื่อนที่ของเขา

ย่อสรุปประจำบทที่ 2 คำถามทบทวน

ย่อสรุปมโนทัศน์

การเคลื่อนที่อธิบายด้วยการสัมพันธ์กับบางสิ่ง
อัตราเร็ว  เป็นการวัดว่าบางสิ่งเคลื่อนที่เร็วเท่าใด
    - อัตราเร็วคืออัตราครอบระยะทาง วันในหน่วยของระยะทางหารด้วยหน่วยของเวลา
    -อัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใด คืออัตราเร็วที่ขณะใดๆ
    -อัตราเร็วเฉลี่ยคือระยะทางรวมหารด้วยช่วงเวลาที่ใช้
ความเร็ว คืออัตราเร็วที่ระบุทิศทางในการเคลื่อนที่
    -ความเร็วจะคงที่เฉพาะเมื่อทั้งอัตราเร็วและทิศทางคงที่
ความเร่งหรืออัตราเร่ง คือัตราที่เปลี่ยนแปลงความเร็ว
    -ในทางฟิสิกส์วัตถุหนึ่งๆ พิจารณาให้มีความเร่ง เมื่อวัตถุนั้นมีอัตราเร็วเพิ่มขึ้นหรือลดลง และ/หรือ ทิศทางมีการเปลี่ยนแปลง
    -ความเร่งวัดในหน่วยของอัตราเร็วหารด้วยหน่วยเวลา
การตกอย่างอิสระของวัตถุหนึ่งภายใต้อิทธิพลของความโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว โดยไม่คิดแรงต้านทางอากาศที่จะส่งผลต่อการเคลื่อนที่
    -วัตถุที่ตกอย่างอิสระมีความเร่งคงที่ประมาณ 10 m/s^2

คำถามทบทวน

1. หมายถึงอะไรที่กล่าวว่าการเคลื่อนที่เป็นความสัมพันธ์ ? การเคลื่อนที่ในชีวิตประจำวันการเคลื่อนที่เทียบหรือสัมพันธ์กับอะไร

2. อัตราเร็วเป็นอัตราของอะไรที่เกิดขึ้น

3.ระหว่างอัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใดกับอัตราเร็วเฉลี่ย อะไรแตกต่างกัน

4.มีเตอร์ที่แผงควบคุมรถยนต์แสดงค่าอัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใด หรืออัตราเร็วเฉลี่ย

5.ระหว่างอัตราเร็วกับความเร็วอะไรแตกต่างกัน

6.ถ้ามีเตอรวัดในรถยนต์อ่านค่าอัตราเร็วคงที่ 40 km/h กล่าวได้หรือไม่ว่ารถยนต์วิ่งด้วยความเร็วคงที่ ทำไม หรือ ทำไมไม่

7.การควบคุมการเปลี่ยนอัตราเร็วรถยนต์ 2 อย่างคืออะไร และให้บอกการควบคุมการเปลียนแปลงความเร็ว

8.ปริมาณใดที่อธิบายเร็วเท่าใดที่เปลี่ยนแปลง และเร็วเท่าใดที่เราเดินทาง หรืออย่างเร็วเท่าใดที่เปลี่ยนทิศทาง

9.ความเร่งเป็นอัตราที่ซึ่งอะไรเกิดขึ้น

10.อะไรคือความเร่งของรถยนต์ที่เคลื่อนที่ตามเส้นตรงด้วยอัตราเร็วคงที่ 100 km/h 

11.อะไรคือความเร่งของรถยนต์ที่ขณะเคลื่อนที่ตามเส้นตรงได้เพิ่มอัตราเร็วจาก 0 เป็น 100 km/h ภายใน 10 วินาที

12.ยานยนต์หนึ่งเคลื่อนที่ตามเส้นตรงด้วยอัตราเร็วเปลี่ยนไปเท่าใดในแต่ละวินาที เมื่อยานยนต์นี้มีความเร่ง 2 km/h.s?  ความเร่ง 4km/h.s? และที่ความเร่ง 10km/h.s?

13.ภายใต้เงื่อนไขใดที่ความเร่งสามารถกำหนดให้เป็นอัตราซึ่งอัตราเร็วเปลี่ยนแปลง

14.ทำไมจีงมีหน่วยของเวลาเขามาเป็นหน่วยของความเร่ง 2 ครั้ง?

15.อัตราเร็วเพิ่มขึ้นแต่ละวินาทีของวัตถุเท่าใดในการตกอย่างเสรีของวัตถุ

16.วัตถุที่ตกลงอย่างเสรีจากหยุดนิ่ง วัตถุมีอัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใดเท่าใดที่ปลายวินาทีที่ 6

17.การตกของวัตถุอย่างอิสระที่ปล่อยจากหยุดนิ่ง ความเร่งที่ปลายวินาทีที่ 5 ที่ ุ เป็นเท่าใด และที่ปลายวินาทีที่ t เป็นเท่าใด

18.สำหรับวัตถุที่ขว้างขึ้นตามแนวตรงอัตราเร็วที่่ขณะหนึ่งขณะใดที่จุดสูงสุดที่ขึ้นไปได้ และมีความเร่งเท่าใด ที่จุดนี้

19.ได้ระยะทางเท่าใดที่วัตถุตกอย่างอิสระจากตำแหน่งที่หยุดนิ่งเป็นเวลา 5 วินาที , 6 วินาที

20.วัตถุจะเคลื่อนที่ได้เท่าใดใน 1 วินาทีถ้าค่าอัตราเร็วเฉลี่ยระหว่าง ๅ วินาที 5 m/s

21.วัตถุทืี่ตกอย่างอิสระจากที่หยุดนิ่งได้ไกลเท่าใดเมื่อมีความเร็วขณะหนึ่งขณะใด 10 m/s

22.ความต้านทานอากาศลดหรือเพิ่มความเร่งในการตกของวัตถุ

23.สมการใดที่บอกให้ทราบว่าเร็วเท่าใดในการตกของวัตถุจากที่หยุดนิ่ง และสมการใดที่บอกให้ทราบว่าวัตถุตกลงมาได้ระยะทางเท่าใด

24ทำไมถึงกล่าววาความเร่งเป็นอัตราของอัตรา

บทที่ 2การเคลื่อนที่

การเคลื่อนที่มีอยู่รอบตัวเรา กลางคืนจะเห็นการเคลื่อนที่ของดวงดาว  การเคลื่อนที่ของอะตอมแม้จะมองไม่เห็น ทำให้เกิดความร้อน หรือเสียง การเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนก่อให้เกิดไฟฟ้ามาใช้ประโยชน์ การเคลื่อนที่จึงมีทุกหนทุกแห่ง แม้ว่าสิ่งที่เห็นจะหยุดนิ่ง แต่เมื่อพิจารณาในรายละเอียดจะพบว่าไม่มีอะไรที่หยุดนิ่งมีแต่การเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน

      ความพยายามจะอธิบายการเคลื่อนที่โดยอาศัย อัตรา ที่ให้ปริมาณหารด้วยเวลา ซึ่งจะบอกว่าบางสิ่งเร็วเท่าใด หรือบางอย่างเปลี่ยนแปลงเท่าใดในช่วงเวลาที่แน่ชัด ในบทนี้จะได้เรียนรู้ที่จะอธิบายการเคลื่อนที่ด้วยอัตรา ที่รู้จักคือ อัตราเร็ว, ความเร็ว และความเร่ง

2.1 การเคลื่อนที่เป็นความสัมพันธ์

      ทุกสิ่งเคลื่อนที่แม้ว่าสิ่งที่เห็นว่าหยุดนิ่งก็ตาม เป็นการเคลื่อนที่เมื่อเทียบกับหรือ สัมพันธ์กับ  ดวงอาทิตย์ ดวงดาว หนังสือวางนิ่งบทโตะ หรือหนังสืออยู่นิ่งเมื่อเทียบกับโต๊ะ  แต่ทุกอย่างเคลื่อนที่ 30 กิโลเมตรต่อวินาทีเมื่อเทียบกับดวงอาทิตย์ และจะยิ่งมีการเคลื่อนที่เร็วขึ้นไปอีกเมื่อเทียบกับศูนย์กลางดาราจักร (galaxy) เมื่ออภิปรายถึงการเคลื่อนที่ของบางอย่าง เราอธิบายการเคลื่อนที่เทียบกับสิ่งอื่น เมื่อกล่าวว่ายานกระสวยเคลื่อนที่ 8 กิโลเมตรต่อวินาที เราหมายถึงเทียบกับโลกด้านล่าง ในการแข่งรถยนต์ ที่กล่าวว่ารถอินดิเข้าถึงอัตราเร็ว 300 กิโลเมตรต่อชั่วโมง แน่นอนว่าเราหมายถึงเทียบกับทางวิ่ง นอกจากว่าเป็นอย่างอื่น  เมื่อเราพูดถึงอัตราเร็วของสิ่งต่างๆในสิ่งแวดล้อมของเรา นั้นจะคิดเทียบกับพื้นผิวโลกเสมอ

2.2 อัตราเร็ว
     วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่เดินทางด้วยระยะทางหนึ่งในเวลาที่กำหนด  ตัวอย่างเช่นรถยนต์คันหนึ่งเดินทางได้หลายกิโลเมตรใน 1 ชั่วโมง  อัตราเร็วเป็นการวัดว่ามีวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่มีความเร็วเท่าใด เป็นเรื่องของอัตราของระยะทาง คำว่าอัตราเป็นนัย บอกใบ้ว่ามีบางอย่าง(ปริมาณ)หารด้วยเวลา  อัตราเร็วมักจะวัดในเทอมของหน่วยระยะทางหารด้วยหน่วยเวลา จึงกำหนดอัตราเร็วเป็นระยะทางที่วัตถุอย่างใดอย่างหนึ่งเคลื่อนที่ไปได้ต่อหน่วยเวลา คำว่าต่อ (per) หมายถึงหารด้วย การรวมหน่วยระยะทางและเวลาให้เป็นหน่วยของอัตราเร็ว เช่นกิโลเมตรรต่อชั่วโมง(km/h) ไมล์ต่อชั่วโมง (mi/h) เมตรต่อวินาที (m/s) เซ้นติเมตรต่อวัน (อัตราเร็วหอยทากที่ป่วย) เครื่องหมาย / อ่านว่า ต่อ

อัตราเร็วโดยประมาณในหน่วยที่ต่างกัน
40 km/h   =  25 mi/h  = 11 m/s
80 km/h   =  50 mi/h  = 22 m/s
120 km/h = 75 mi/h   = 33m/s

    อัตราเร็วที่ขณะใดขณะหนึ่ง 
รถยนต์ที่วิ่งอยู่ทั่วไปไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเท่าเดิมตลอดเวลา ตั้งแต่เริ่มต้นออกรถ แล้วค่อยเพิ่มความเร็วขึ้นจนถึงระดับที่ต้องการ  บางคร้งก็ต้องหยุดที่ไฟแดง บางครั้งต้องชะลอรถด้วยเหตุต่างๆ อ้ตราเร็วรถที่สถานะการณ์ต่างๆ นั้นเรียกว่าอัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใด(instantaneous speed)
    อัตราเร็วเฉลี่ย (average speed)
ในการวางแผนการเดินทางส่วนใหญ่อยากทราบว่าใช้เวลานานเท่าใดโดยประมาณ เพื่อเดินทางให้ถึงเป้าหมายที่ต้องการหรือกำหนด  แน่นอนว่าไม่ได้ขับรถด้วยอัตราเร็วเดียวตลอดเวลา ไม่ได้สนใจว่าที่ขณะหนึ่งขณะใดรถวิ่งด้วยอัตราเร็วเท่าใด ส่วนใหญ่ให้ความสำคัญกับอัตราเร็วเฉลี่ย โดยที่

    อัตราเร็วเฉลี่ย  =      ระยะทางรวมที่รถวิ่ง
                                      เวลาที่ใช้
การคำนวณหาอัตราเร็วเฉลี่ยได้ไม่ยาก  ตัวอย่างเช่นถ้าขับรถได้ระยะทาง 60 กม. ในเวลา 1 ชม กล่าวได้ว่าอัตราเร็วเฉลี่ยเท่ากับ 60 กม./ชม. ถ้าเคลื่อนที่ได้ 240 กม. ในเวลา 4 ชม.  หาอัตราเร็วเฉลี่ยได้ดังนี้

อัตราเร็วเฉลี่ย    =       ระยะทางรวมทั้งหมด     =   240  = 60 km/h
                                       เวลาที่ใช้ทั้งหมด              4
จะเห็นว่าเมื่อระยะทางวัดเป็นกิโลเมตร(km) หารด้วยเวลาวัดเป็นชั่วโมง(h) ผลลัพธ์คำตอบที่ได้เป็น กิโลเมตรต่อชั่วโมง (km/h)

     เนื่องจากอัตราเร็วเฉลี่ยคือระยะทางครอบคลุมทั้งหมดที่เดินทางได้หารด้วยเวลารวมทั้งหมดที่ใช้ในการเดินทาง ไม่ได้บ่งบอกถึงอ้ตราเร็วที่แตกต่างและการเปลี่ยนแปลงอัตราเร็วที่อาจเกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้นๆ ในทางปฏิบัติเรามีประสบการณ์กับอัตราเร็วที่หลากหลายเกือบตลอดการเดินทาง  ดังนั้นอัตราเร็วเฉลี่ยจึงต่างจากอัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใด ไม่ว่าเรากล่าวถึงอัตราเร็วเฉลี่ยหรืออัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใด เรากำลังพูดถึงอัตราที่เคลื่อนที่ไปตามระยะทาง

โจทย์คำถาม 
1.เมื่อเดินทางเซ็ตมีเตอร์รถยนต์ให้เป็นศูนย์ เมื่อเวลาผ่านไปครึ่งชั่วโมง มีเตอร์อ่านได้ 35 Km  a)จงคำนวณหาอัตราเร็วเฉลี่ย b) เป็นไปได้หรือไม่ที่จะขับรถที่อัตราเร็วเฉลี่ยนี และขับไม่เกิน 70 km/hที่อ่านจากมีเตอร์เลยตลอดเส้นทาง
2. เสือชีต้าวิ่งได้ด้วยอัตราเร่ง 25m/s  ใน 1 วินาทีได้ระยะทาง 25 เมตรเสมอ ดัวยอัตรานี้ เสือจะวิ่งได้ไกลเท่าใดเมื่อเวลาผ่านไป 10 วินาที และ 1 นาที

2.3 ความเร็ว (velocity)
      ตามภาษาพูดเรามักจะใช้คำว่าอัตราเร็วและความเร็วสลับกันไปมาในความหมายเดียวกัน ในทางฟิสิกส์ ได้ทำให้แตกต่างกัน โดยที่กำหนดให้ความเร็วคืออัตราเร็วตามทิศทางที่กำหนด  เมื่อกล่าวว่ารถเดินทางได้ 60 km/h บ่งขี้ถึงอัตราเร็ว  แต่ถ้ากล่าวว่า รถยนต์เคลื่อนที่ 60 km/hไปทางเหนือ เป็นการบ่งชี้ถึงความเร็ว  จากอัตราเร็วเป็นการอธิบายว่าเคลื่อนที่เร็วเท่าไหร ส่วนความเร็วกำหนดว่าเคลื่อนที่เร็วเท่าใดในทิศทางใด

โจทย์คำถาม
1. มีเตอร์รถยนต์คันหนึ่งเคลื่อนที่ไปทางเหนืออ่านได้ 60 km/h วิ่งผ่านรถยนต์อีกคันที่เคลื่อนที่ไปทางใต้ 60 km/h รถยนต์ทั้งสองคันมีอัตราเร็วเดียวกันหรือไม่ และรถทั้งสองคันมีความเร็วเดียวกันหรือไม่?

ความเร็วคงที่
จากนิยามที่กำหนดความเร็ว  การที่มีความเร็วคงที่นั้นต้องมีทั้งอัตราเร็วและทิศทางคงที่  อัตราเร็วคงที่หมายถึงการเคลื่อนที่ยังคงอยู่ที่อัตราเร็วเดิม วัตถุที่เคลื่อนที่ไม่ได้เคลื่อนที่เร็วขึ้นหรือช้าลง ส่วนทิศทางคงที่หมายถึงการเคลื่อนที่อยู่ในเส้นตรง เส้นทางการเคลื่อนที่ไม่เป็นทางโค้ง การเคลื่อนที่ที่ความเร็วคงที่เป็นการเคลื่อนที่ตามเส้นตรงด้วยอัตราเร็วคงที่

การเปลี่ยนแปลงความเร็ว
   ถ้าอัตราเร็ว หรือ ทิศทาง หรือทั้งสองอย่างกำลังเปลี่ยนแปลง  แล้วความเร็วพิจารณาว่ากำลังเปลี่ยนแปลง ความเร็วคงที่กับอัตราเร็วคงที่ไม่เหมือนกัน  ตัวอย่างเช่นวัตถุหนึ่งอาจเคลื่อนที่อัตราเร็วคงที่ตามเคิรฟ หรือทางโค้ง แต่ไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่เพราะทิศทางการเคลื่อนที่เปลี่ยนไปทุกขณะ

โจทย์คำถาม
1. จงบอกอุปกรณ์ควบคุมที่ใช้ในรถยนต์ ในกรณีที่ใช้เพิ่มอัตราเร็ว  ลดอัตราเร็ว  และที่ใช้ในเปลียนทิศทางของรถยนต์

2.4 ความเร่ง (Acceleration)
เราสามารถเปลี่ยนสถานะการเคลื่อนที่ของวัตถุโดยการเปลี่ยนอัตราเร็ว โดยการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่หรือโดยก่ารเปลี่ยนทั้งอัตราเร็วและทิศทาง บางครั้งเราสนใจว่าเร็วเท่าใดที่ความเร็วเปล่ี่ยนไป คนขับรถบนถนน 2 เลน ที่ต้องการแซงรถอีกคันโดยการเพิ่มความเร็วรถให้เร็วขึ้นในช่วงระยะเวลาสั้นๆ อัตราที่ความเร็วเปลี่ยนไปเรียกว่าความเร่ง เพราะว่าความเร่งเป็นอัตราเป็นการวัดว่าเร็วเท่าใดที่ความเร็วเปลี่ยนไปต่อหน่วยของเวลา

                 ความเร่ง  =  การเปลี่ยนความเร็ว
                                      ช่วงเวลา

เราต่างคุ้นเคยกับความเร่งรถยนต์ เมื่อคนขับเหยียบคันเร่ง ผู้โดยสารที่นั่งในรถจะรู้ได้ถึงความเร่ง ที่เหมือนมีแรงดันให้ตัวเคลื่อนไปด้านหลังจากตำแหน่งที่นั่ง แนวคิดหลักในการกำหนดความเร่งคือการเปลี่ยนแปลง เมื่อไรก็ตามที่เราเปลี่ยนสถานะการเคลื่อนที่ เรากำลังมีความเร่ง รถยนต์ที่สามารถเร่งขึ้นได้ดีมีความสามารถในการเปลี่ยนความเร็วได้อย่างรวดเร็ว รถยนต์ที่เคลื่อนไปจากความเร็วเป็น 0 ไปเป็นความเร็ว 60 km/h ภายใน 5 วินาที จะมีความเร่งมากกว่ารถยนต์อื่นที่มีความเร่งจาก 0 ไปเป็น 80 km/h ในเวลา 10 วินาที  ดังนั้นการมีความเร่งที่ดีคือการเปลี่ยนได้เร็ว และไม่จำเป็นต้องเร็ว

ในทางฟิสิกส์เทอมความเร่งประยุกต์ใช้กับการลดความเร็วด้วยเช่นเดียวกับการเพิ่มอัตราเร็ว เบรคของรถยนต์สามารถสร้างแรงต้านความเร่งได้สูง นั่นคือสามารถที่จะลดอัตราเร็วต่อวินาที การเป็นเช่นนี้มักเรียกกันว่าการลดความเร่งหรือการหน่วงหรือความเร่งแบบลบ  เรารู้ได้ถึงความหน่วงเมื่อรถเบรคกระทันหันตัวเราจะเคลื่อนคม่าไปด้านหน้า

ความเร่งยังประยุกต์ใช้กับการเปลี่ยนทิศทางเช่นเดียวกับการเปลี่ยนอัตราเร็ว หากเรานั่งรถยนต์ตามทางโค้งด้วยอัตราเร็วคงที่ 50  km/h เราจะรู้ได้ถึงผลของการเคลื่อนที่เป็นทางโค้งที่ทำให้รู้สึกว่าตัวเราเคลื่อนไปทางด้านนอกของทางโค้ง เราอาจจะเคลื่อนด้วยอัตราเร็วคงที่แต่ความเร็วไม่ได้คงที่เพราะว่าทิศทางเปลี่ยนไปและถือว่าตัวเรามีความเร่งพร้อมกับรถ ตอนนี้จะเห็นได้ว่าทำไมต้องแบ่งแยกระหว่างอัตราเร็วและความเร็ว และทำไม่จำกับหนดความเร่งเป็นอัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็วมากกว่าที่จะเป็นอัตราเร็ว  ความเร่งเหมือนกับความเร็วที่มีทิศทาง ถ้าเราเปลี่ยนอัตราเร็วหรือทิศทางหรือทั้งสองถือว่าเราเปลี่ยนความเร็วและเรามีความเร่ง

ในกรณีที่การเคลื่อนที่ไปตามเส้นตรงอาจให้อัตราเร็วกับความเร็วเหมือนกันได้หรือสลับกัน เมื่อทิศทางไม่มีการเปลี่ยนแปลง แล้วความเร่งสามารถกำหนดเป็นอัตราที่เปลี่ยนอัตราเร็วได้

เนื่องจากความเร่งคืออัตราการเปลี่ยนความเร็วหรืออัตราเร็วต่อช่วงเวลา จะมีหน่วยเป็นหน่วยของอัตราเร็วต่อเวลา  ถ้าเราเร่งความเร็วขึ้นโดยไม่เปลี่ยนทิศทางจาก 0 ไปถึง 10 km/h ใน 1 วินาทีการเปลี่ยนแปลงอัตราเร็ว 10 km/h ในช่วงเวลา 1 วินาที ความเร่งตามเส้นตรง คือ

             ความเร่ง  =   การเปลี่ยนอัตราเร็ว   =  10 km/h   =  10 km/h
                                     ช่วงเวลา                        1 s  

ความเร่ง 10 km/h.s อ่านว่า 10 กิโลมีเตอร์ต่อชั่วโมงวินาที จะเห็นว่าเป็นหน่วยเวลาที่ 2  เวลาแรกในหน่วยของอัตราเร็ว เวลาที่สองเป็นช่วงเวลาที่อัตราเร็วเปลี่ยนแปลง

โจทย์คำถาม
1. สมมุติว่า รถยนต์คนหนึ่งเคลื่อนที่ไปตามแนวเส้นตรงสม่ำเสมอเพิ่มอัตราเร็วขึ้นทุกวินาที  ครั้งแรกเพิ่มจาก 35 ไปเป็น 40 km/h รถมีความเร่งเท่าใด
2. ภายใน 5 วินาทีรถยนต์คันหนึ่งเคลื่อนที่ไปตามเส้นตรงเพิ่มอัตราเร็วจาก 50 km/h ไปเป็น 65 km/h ขณะที่รถบรรทุกเคลื่อนจากหยุดนิ่งไปเป็น 15 km/h ตามแนวเส้นตรง รถคันใดที่มีความเร่งมากกว่า และรถแต่ละคันมีความเร่งเท่าใด

2.5 การตกอย่างอิสระ เร็วเท่าใด
เมื่อปล่อยก้อนหินก็จะตกลงสู่พื้น กันหินนั้นมีความเร่งหรือไม่ขณะที่ตกลงมา เรารู้ว่าก้อนหินเคลื่อนที่จากตำแหน่งที่หยุดนิ่ง และเพิ่มอัตราเร็วขณะที่กำลังตกลงมา การที่อัตราเร็วเพิ่มขึ้นแสดงว่าก้อนหินมีความเร่งนั่นเองขณะที่ตกลงมา

ความโน้มถ่วงเป็นตัวการทำให้ก้อนหินตกสู่พื้น ตามสภาพจริงมีแรงต้านของอากาศมีผลต่อความเร่งของของวัตถุที่กำลังตกลงมา ลองจินตนาการว่าถ้าไม่มีแรงต้านทานของอากาศแล้วการตกลงมาของวัตถุเป็นผลจากความโน้มถ่วงอย่างเดียวถือว่าเป็นการตกอย่างอิสระ

ตาราง 2.2 แสดงการตกอย่างอิสระของวัตถุจากหยุดนิ่ง

เวลาที่ผ่านไป                    อัตราเร็วที่ขณะหนึ่ง
        0                                       0
        1                                       10
        2                                       20
        3                                       30
        4                                       40
        .                                         .
        t                                        10t

จากตามรางข้างบนเห็นแนวทางที่อัตราเร็วเปลี่ยนแปลง ระหว่างแต่ละวินาทีของการตกอัตราเร็วที่ขณะใดขณะหนึ่งของวัตถุเพิ่มขึ้นเพิ่มเติม 10 เมตร ต่อวินาที อัตราเร็วที่เพิ่มขึ้นต่อวินาทีคือความเร่ง

           ความเร่ง  =  การเปลี่ยนอัตราเร็ว  =   10 m/s   =  10 m/s.s
                                  ช่วงเวลา                       1s

จะเห็นว่าการเปลี่ยนอัตราเร็วเป็น m/s ช่วงเวลาเป็น s ความเร็งก็จะเป็น m/s^2 (อ่านว่าเมตรต่อวินาที่ยกกำลังสอง) หน่วยของเวลานำเข้ามาสองครั้งจากอัตราเร็วและจากเวลาช่วงที่มีการเปลี่ยนความเร็ว

การตกของวัตถุภายใต้เงื่อนไขที่ไม่คิดแรงต้านจากอากาศประมาณ 10 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง (10 m/s^2) สำหรับการตกอย่างอิสระมักจะใช้ตัวอักษร g แทนความเร่ง (เพราะเป็นการตกอย่างอิสระเกิดความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วง)  แม้ว่าค่า g จะเปลี่ยนไปบ้างเล็กน้อยตามตำแหน่งส่วนต่างๆของโลกที่แตกต่างกัน โดยมีค่าเฉลี่ยประมาณใกล้เคียง 10 m/s^2  ที่ค่าถูกต้องใกล้เคียงมากยิ่งขึ้นที่ 9.8 m/s^2  แต่จะง่ายกว่าที่จะเห็นแนวคิดที่เกี่ยวข้องเมื่อปัดเลขให้เป็นจำนวนเต็ม 10 m/s^2  เมื่อไรที่ต้องการความละเอียดเป็นสำคัญก็ใช้ค่าความเร่งเป็น 9.8 m/s^2  เป็นค่าระหว่างการตกอย่างอิสระ
     จะเห็นว่าตามตามรางข้างบนอัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใดของวัตถุที่กำลังตกลงมาจากจุดหยุดนิ่งเท่ากับค่าความเร่งคูณด้วยเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนตกลงมา

             อัตราเร็วที่จุดใดจุดหนึ่ง  = ความเร่ง x เวลาที่ใช้ไป

อัตราเร้วที่ขณะใดขณะหนึ่ง v  ของวัตถุตกลงมาจากจุดหยุดนิ่งเป็นช่วงเวลา t  สามารถเขียนได้ดังนี้

                            v = gt

สัญลักษณ์ v แทนทั้ง อัตราเร็ว และความเร็ว ตรวจสอบการใช้สมการนี้กับตางที่บันทึกค่าไว้แล้ว  เมื่อไรก็ตามที่ความเร่ง g = 10 m/s^2 คูณกับเวลาที่ผ่านไปเป็นวินาทีก็จะได้อัตราเร็วที่ขณะใดขณะหนึ่งเป็นเมตรต่อวินาที

โจทย์คำถาม
ให้คำนวณหาอัตราเร็วหลังจาก ตกลงมาจากจุดหนุดนิ่งได้ 4.5 วินาที และอัตราเร็วจะเป็นเท่าใด หลังจาก 8 วินาที และ 100 วินาที

ที่ผ่านมาเราได้พิจารณาวัตถุที่เคลื่อนที่ลงเป็นเส้นตรงภายใต้ความโน้มถ่วง  ตอนนี้จะพิจารณาเมื่อขว้างวัตถุขึ้นไปในแนวดิ่งหรือแนวตั้ง วัตถุก็จะเคลื่อนไปตามเส้นในแนวดิ่งครู่หนึ่ง แล่วจะตกลงมา ที่จุดสูงสุดที่วัตถุขึ้นไปได้ ขณะที่กำลังเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่จากทิศขึ้นมาทิศลงนั้น อัตราเร็วขณะหนึ่งขณะใดเป็น 0 แล้วเริ่มต้นเคลื่อนที่ลงเหมือนกับที่ปล่อยจากจุดที่หยุดนิ่ง

ขณะที่มีการเคลื่อนที่ขึ้นวัตถุเคลื่อนที่ช้าลงจากความเร็วทิศขึ้นเข้าสู่ความเร็ว  ทราบได้ว่าเป็นความเร่งเนื่องจากการเปลี่ยนความเร็ว โดยอัตราเร็วลดลง  ความเร่งที่มีทิศขึ้นจะเหมือนกับความเร่งที่เกิดขึ้นทิศลง g = 10m/s^2  อัตราเร็วที่ขณะใดขณะหนึ่งตามเส้นทางเหมือนกันไม่ว่าวัตถุจะเคลื่อนที่ขึ้นหรือเคลื่อนที่ลงดังรูป

จากรูปอัตราซึ่งอัตราเร็วเปลี่ยนแต่ละวินาทีเหมือนกันไม่ว่าจะเคลื่อนที่ขึ้นหรือเคลื่อนที่ลง เพียงแต่ในทิศทางที่ต่างกัน ดังนั้นความเร็วจึงแตกต่างกัน ในแต่ละวินาทีอัตราเร็วหรือความเร็วเปลี่ยนไป 10  m/s ความเร่งเท่ากับ 10 m/s^2 ตลอดเวลาไม่ว่าวัตถุเคลื่อนที่ขึ้นหรือเคลื่อนที่ลง

2.6 ระยะทางจากการตกอย่างอิสระ 

การตกอย่างอิสระลงมาด้วยความเร็วเท่าใด ต่างจากการตกลงมาได้ระยะทางเท่าใด เพื่อให้เข้าใจเรื่องนี้กลับไปที่ตารางแสดงการตก ตอนปลายวินาทีแรก และวัตถุเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วขณะหนึ่งขณะใด 10 m/s  เป็นการเคลื่อนที่ได้ระยะทาง 10 m ในวินาทีแรกหรือไม่ คงไม่ใช่เพราะเรารู้ว่าอัตราเร็วเริ่มจาก 0 อัตราเร็วเฉลี่ยไม่ใช่ 10 m/s แน่นอน อัตราเร็วเฉลี่ยควรจะเป็นค่าเฉลี่ยของความเร็วต้นบวกความเร็วปลายวินาที่แรกหารด้วย 2  นั้นคือ (0+10)/2 = 5 m/s ในช่วงเวลาวินาทีแรก เมื่ออัตราเร็วเฉลี่ย 5m/s ได้ระยะทาง 5 m

โจทย์คำถาม 

1ระหว่างช่วงเวลาเป็นวินาที ตามตาราง วัตถุเริ่มต้นที่ 10 m/s สิ้นสุดที่ 20 m/s จงหาอ้ตราเร็วเฉลี่ยของวัตถุในช่วงเวลา 1 วินาที่ และมีความเร่งเท่าใด

2. แอปเปิลผลหนึ่งหล่นจากต้นกระทบพื้นใน 1 วินาที มีอัตราเร็วเทาใดขณะกระทบพื้น อัตราเร็วเฉลียเท่าใดระหว่างเวลา 1 วินาที  ผลไม้นี้อยู่สูงจากพื้นเท่าใดตอนที่กำลังจะหล่นจากต้น

ตาราง 2.3 ระยะทางการตกอิสระของวัตถุจากที่หยุดนิ่ง

เวลาที่หมดไป                  ระยะทางที่ตกลงมาได้ (เมตร)

      0                                            0

      1                                            5

      2                                            20

      3                                            45

      4                                            80

      .                                              .

      t                                             1 g t^2

                                                    2

    ตาราง 2.3 ข้างล่างแสดงระยะทางรวมที่วัตถุเคลื่อนที่จากการตกอย่างเสรี จากการปล่อยจากที่หยุดนิ่ง เป็นเวลา 1วินาที ตกลงมาได้ 5 เมตร   2 วินาทีตกลงมาได้ 20 m  3วินาทีตกลงมาได้ 45 เมตร ด้วยค่าระยะทางตามตารางนี้จัดลงรูปแบบทางคณิตศาสตร์เมื่อใช้เวลาไป t วินาที  เมื่อให้วัตถุตกลงมาเป็นระยะทาง d  เท่ากับ 1/2gt^2 

2.7 แรงต้านอากาศกับการตกของวัตถุ

    การปล่อยขนนกและเหรียญให้ตกลงมาเราจะสังเกตเห็นได้ว่าเหรียญจะเคลื่อนตกถึงพื้นก่อนขนนก แรงต้านจากอากาศส่งผลทำให้มีความเร่งในการตกแตกต่างกัน การพิสูจน์ยืนยันในเรื่องนี้ก็โดยการให้ขนนกและเหรียญตกในกระบอกแก้วใสที่ดูดอากาศออกจนเป็นศูนยากาศจะพบว่าขนนกและเหรียญตกถึงพื้นของกระบอกแก้วได้พร้อมกัน สรุปได้ว่าแรงดันอากาศมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ของวัตถุที่ตกลงมา เช่นแผนกระดาษหรือขนนกดังกล่าว แต่แรงต้านทานอากาศมีผลกระทบน้อยกับวัตถุที่แข็งกระทัดรัดเช่นก้อนหิน ลูกกอร์ฟ ที่วัตถุลักษระนี้เมื่อเคลื่อนที่ตกลงมาพิจารณาให้เป็นการตกอย่างอิสระได้

2.8 เร็วและไกลเท่าใด และ การเปลี่ยนแปรงเร็วเท่าใด

    ความสับสนที่เกิดขึ้นจากการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของวัตถุที่กำลังตกลงมา เกี่ยวกับการปนกันระหว่าง เร็ว และ ไกลเท่าใด  เมื่อเราต้องการบ่งถึงว่าเร็วเท่าใดบางอย่างเคลื่อนที่ตกอย่างเสรีจากหยุดนิ่ง หลังจากเวลาผ่านไป เรากำลังกล่าวถึงอัตราเร็วหรือความเร็ว สมการที่ให้หาค่า คือ v = gt  เมื่อเราต้องการบ่งถึงว่าวัตถุตกลงมาไกลเท่าใด เรากำลังกล่าวถึงระยะทาง สมการที่ใช้หาระยะทาง คือ 

d = 1/2gt^2

    มโนทัศน์ที่สับสนกันมากที่สุด และคำถามหนึ่งที่ยากที่สุดที่เข้ามาเกี่ยวข้องคือ อย่างเร็วเท่าใดที่อัตราเร็วหรือความเร็วเปลี่ยนแปลง : ความเร่ง  อะไรที่ทำให้ความเร่งมีความซับซ้อน ก็ตรงที่ว่าเป็นอัตราของอัตรา ที่มักจะสับสนกับความเร็วที่ตัวเองก็เป็นอัตรา (อัตราที่ครอบคลุมระยะทาง) ความเร่งไม่ใช่ความเร็วหรือไม่ใช่แม้แต่การเปลี่ยนความเร็ว ความเร่งเป็นอัตราซึ่งความเร็วเองเปลี่ยนแปลง